CN105814764A - 用于传输电力的设备 - Google Patents

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Abstract

用于传输电力的设备。本发明涉及一种用于在第一和第二交流电压网络(2,3)之间传输电力的设备(1)。自换向的转换器(20)能连接到第二交流电压网络(3)，自换向的转换器(20)经由直流电压连接部(4)与单向整流器(10)连接。单向整流器能在交流侧与第一交流电压网络连接，并且能经由第一交流电压网络(2)与风电场(7)连接，其中，风电场(7)具有至少一个风力发电设备(72)，风力发电设备(72)被配置用于，在风速在接通风速以上时，向第一交流电压网络中馈入电力。本发明的特征在于，能与第一交流电压网络(2)和/或能与至少一个风力发电设备(72)连接的、用于提供电能的能量产生装置(9A,9B)，其中，能量产生装置被配置用于，在风速在至少一个风力发电设备(72)的接通风速以下时，转换来自该能量产生装置周围的可再生初级能源。

Description

用于传输电力的设备
技术领域
本发明涉及一种用于在第一和第二交流电压网络之间传输电力的设备。对第二交流电压网络可连接自换向的转换器，其经由直流电压连接部与单向整流器连接。单向整流器在交流侧与第一交流电压网络连接，并且可经由第一交流电压网络与风电场连接，其中，风电场具有至少一个风力发电设备，其被配置为，在风速高于接通风速时，将电力馈入第一交流电压网络。
背景技术
这种类型的设备在现有技术中是已知的。例如，在S.Bernal-Perez等的文章“Off-shoreWindFarmGridConnectionusingaNovelDio-de-RectifierandVSC-InverterbasedHVDCTransmissionLink”,IECON,2011,第3186-3191页中，公开了一种用于在风能设备中使用的能量传输设备。该能量传输设备包括作为二极管整流器构造的单向转换器，其在直流电压侧与直流电压中间回路连接。该直流电压中间回路在二极管整流器和在英语中也称为“VoltageSourceConverter(VSC)”的电压源转换器之间延伸。单向整流器经由变压器和交流电压网络与风能设备的风电场连接。为了进行无功功率补偿，将无源滤波元件与风电场的交流电压网络连接。
借助直流的电能传输在许多应用中、特别是在具有几百公里长度的传输线路的情况下在经济上有利。
例如，这些应用例如包括已经提到的在海上架设的风电场到陆地侧的供电网的连接、从陆地对离岸装置(例如石油平台)的能量供应以及被海洋隔开的两个内陆电网的连接。
在直流传输装置中，经常使用借助直流电压连接部彼此连接的两个自换向的转换器。这种布置在弱交流电压网络之间也允许双向功率流，从而例如可以通过强交流电压网络实现弱交流电压网络的稳定化。此外，以这种方式，还可以在弱风阶段期间，即在风力发电设备周围的风速低于风力发电设备的接通风速时，提供对风力发电设备的特定部件进行供应、例如加热所需的能量。
自换向的转换器还实现了交流电压网络的“起动(Hochfahren)”(“BlackStart(黑启动)”)。如果风力发电设备周围的风速下降到接通风速以下，则风力发电设备通常停机，因为在这种风速下不能进行能量产生或者能量产生不经济。如果风速上升，则风电场才必须“起动”。为了使风电场起动，可以通过海洋侧的转换器产生交流电压网，其中，为此所需的供应能量可以从陆地侧的能量供应网络提取。特别是，该能量还可以用于在风力发电设备起动时将其与风向对准。风电场的风能设备还可以使自身与已有的交流电压网络同步。在强风时进行希望的功率流转向，即从风电场到陆地侧的能量供应网络的功率传输。现在，使用自换向的电压源转换器(VSC)、特别是多电平转换器作为转换器。然而，这种转换器在海上的架设由于转换器仍然大的重量而是成本密集的。
虽然单向整流器的使用仅允许一个方向上的功率输送，但是具有整流器的损耗和重量与自换向的转换器相比显著减小的优点。此外，在单向整流器中可以使用相对紧凑的功率半导体。此外，单向整流器的控制和冷却在某些情况下可以更便宜地进行。
此外，在将第一交流电压网络连接到风电场时，正常运行时的功率输送的方向是预先给定的，因此单向能量传输的限制不是严重的缺点。
然而，这种方案的缺点是，单向整流器在弱风阶段不提供能量以及不提供交流电压用于风力发电设备的起动。然而，对于具有在市场上常见的风力涡轮机的设备的运行，与风电场连接的交流电压网络中的频率稳定的交流电压的存在是前提条件。所需的这种交流电压不能借助单向整流器提供。
克服该问题的一个可能性是专门匹配的风力涡轮机控制方案的使用。然而，在这种情况下，不再能够使用在市场上可获得的具有常见控制系统的风力涡轮机。
使用传统的柴油发电机用于在弱风阶段提供能量从成本和环境的视点来看同样不利。
发明内容
从现有技术出发，本发明要解决的技术问题是，在开头提及的类型的设备中，利用相对简单的部件以成本低廉并且可靠的方式向风电场提供电能。
上述技术问题通过如下设备来解决，该设备包括能与第一交流电压网络和/或能与至少一个风力发电设备连接的、用于提供电能的能量产生装置，其中，能量产生装置被配置用于，在风速在至少一个风力发电设备的接通风速以下时，转换来自能量产生装置周围的可再生初级能源。
根据本发明的设备的优点是，在风力发电设备静止期间也能够对风电场的风力发电设备进行电力供应，因为能够从能量产生装置周围的初级能源中充分地获得电能。也就是说，在因为风力发电设备周围的风速处于接通风速以下，风力发电设备不向第一交流电压网络馈入能量期间，能量产生装置也能够产生并且提供电能，以对风力发电设备进行供应。
根据本发明的一个有利实施方式，能量产生装置被配置用于产生第一交流电压网络中的交流电压。由此能够根据需要产生交流电压网络，如上面已经描述的那样，风力发电设备能够与该交流电压网络同步。同样可以想到，能量产生装置经由单独的线缆向风力发电设备提供能量。借助所提供的能量，风力发电设备能够自己启动并且向交流电压网络供电。
优选单向整流器是二极管整流器。在实践中证明了二极管整流器特别紧凑并且制造和运行特别有利。
根据本发明的设备特别适合于将在离岸风电场中产生的电能向布置在陆地上的能量供应网络传输的应用，其中，离岸风电场通常布置在海洋或者湖泊中距离海岸几百公里。因为在这种情况下向陆地的能量传输经由直流电压连接部进行，因此优选将单向整流器布置在海上平台上。对应地将自换向的转换器布置在陆地上。
在风电场应用中，例如可以将能量产生装置与单向整流器一起布置在架设在海洋中的海上平台上，其中，能量产生装置和整流器也可以布置在两个或更多个在空间上彼此分离的平台上。在这种情况下还可以想到，将能量产生装置安装在风力发电设备的支柱上。
按照根据本发明的装置的一个实施方式，能量产生装置包括至少一个用于将风能转换为电能的弱风风力涡轮机。针对弱风阶段的能量产生对这些弱风风力涡轮机进行了优化。在强风的情况下，利用传统的措施(通过机械制动、从风中转出以及使涡轮机的叶片处于风帆姿态(Segelstellung))保护其免受伤害。在风力发电设备启动之后不再需要通过弱风风力涡轮机进行能量提供。在适宜的情况下，弱风涡轮机可以被配置为，在强风的情况下，基于流体特性(流体概况())仅产生小的转矩。
视为特别有利的是，至少一个弱风风力涡轮机是垂直轴风力涡轮机。垂直轴风力涡轮机的特别的优点是，其在启动时不需要首先对准风向。因此，在风力小时垂直轴风力涡轮机已经能够投入运行。垂直轴风力涡轮机例如可以是达里厄涡轮机(Darrieus-Turbine)或萨沃纽斯涡轮机(Savonius-Turbine)。
按照根据本发明的设备的另一个实施方式，能量产生装置包括至少一个用于将太阳能转换为电能的光伏发电模块，光伏发电模块具有至少一个光伏电池。该实施方式具有如下优点：能量产生装置能够与其周围的风力条件无关地提供电能。
按照根据本发明的设备的另一个实施方式，能量产生装置包括至少一个用于将太阳能转换为热的集热器。这些热可以直接用于对风力发电设备进行加热。
还显得有利的是，能量产生装置包括至少一个用于将海洋动能转换为电能的流涡轮机和/或用于将潜在的海洋能源转换为电能的波浪能转换器。
有利的是，能量产生装置使用上面描述的能量源中的多个，以实现能量产生尽可能高的可靠性。
能量产生装置例如可以布置在风力发电设备的吊篮(Gondel)上或者中。适宜的是，例如在使用流涡轮机的情况下，也可以将能量产生装置的至少一部分布置在水面以下，例如布置在风力发电设备的塔架的足部或者至少部分地布置在塔架中。
还特别有利的是，能量产生装置包括至少一个能量存储装置。在此，能量存储装置被设置用于，对能量产生装置产生的能量进行中间存储，从而能够根据需要提供能量用于运行风力发电设备。能量存储器例如可以包括可再充电的电池。
优选能量存储装置被配置用于存储浮体的浮动能。在此，通过浮体在水中下降，可以借助能量存储装置来存储能量。通过浮体由于作用在水下的浮体上的浮力而向水面的方向移动，可以从能量存储装置中汲取能量。
例如可以借助绞车或者转向辊使浮体上升和/或下降。在此，与已知的变形相比，不必泵送水，这提高了能量存储装置的效率。此外，能够省去可移动的阀，其例如可以通过简单的停止制动器来代替。同样消除了在空气压缩或者膨胀时产生的与热相关的问题。
有利的是，可以使用简单、便宜的塑料浮体或者向下开口的容器。优选使用多个浮体。在此，浮体分布在海上建筑周围。它们例如可以分别经由牵引绳向下拉。转向辊可以固定在海底和/或风力发电设备的基部上。还可以使用造船业中的常见的绞盘，其安装在水面以上的平台上或者离岸建筑物中。同样可以想到，将浮体布置在风力发电设备的基部内部。根据另一个变形，浮体可以以环形围绕风力发电设备的基部布置。
然而，同样可以想到，使用空心体来存储能量。在此，用水或者其它合适的液体填充空心体。为了汲取能量，可以对应地将空心体清空。为了改善能量存储装置的能量容纳容量，可以想到使用多于一个的空心体。
同样可以想到，能量存储装置包括一个巨大的重量元件，其中，通过使该重量元件下降，可以从能量存储装置汲取能量。重量元件例如可以布置在风力发电设备的塔架中或者离岸平台的腿中。
还可以想到，将用于绞盘驱动的变流器直接连接到风力发电设备的中间回路。由此有利地省去馈入转换器。
能量存储装置的其它可能的变形例如可以使用压缩空气、氢气或者甲烷气体产生。
还可以想到，能量存储装置在风力发电设备的正常运行时(在风速在接通风速以上时)供电。在此，风力发电设备经由交流电压网络提供能量。例如可以将能量存储在与用于进行无功补偿的设备、例如所谓的静止同步补偿器(STATCOM)可连接的能量存储器中。在此，用于进行无功补偿的设备优选在交流测与交流电压网络可连接，其中，能量存储器与设备的电容器并联连接。
能量产生装置和/或风力发电设备还可以与包括至少一个燃料电池、例如氢-氧电池的装置连接。优选在风能过剩时在燃料电池中通过电解产生氢，并且在风不足时通过燃料电池产生电流。以这种方式，可以实现风电场的特别可靠的能量供应。在需要时可以例如利用合适的船只将多余的氢运走。
合适的是，例如布置在陆地上的自换向的转换器可以是模块化的多电平转换器。模块化的多电平转换器具有相模块，相模块的数量对应于所连接的第二交流电压网络的相的数量。在此，每个相模块作为三个极构造，并且具有两个外部直流电压连接端和一个居中的交流电压连接端。具有由两极子模块构成的串联电路的相模块支路在交流电压连接端和每个直流电压连接端之间延伸。每个子模块配备有能量存储器、例如单极电容器以及与其并联地布置的功率半导体电路。功率半导体电路例如可以作为半桥或者全桥电路来构造。在半桥电路的情况下，提供两个可接通、可关断功率半导体开关、例如IGBT、IGCT等的串联电路，其中，每个可接通、可关断功率半导体开关与续流二极管反向并联连接。在此，第一子模块连接端子直接与能量存储器的一个极连接，而另一个子模块连接端子与可接通、可关断的功率半导体开关之间的电势点连接。在全桥电路的情况下，设置分别由两个可接通、可关断功率半导体开关构成的两个串联电路，其中，一个子模块连接端子与第一串联电路的可接通、可关断功率半导体开关之间的电势点连接，并且第二子模块连接端子与第二串联电路的可接通、可关断功率半导体开关之间的电势点连接。
根据本发明的一个实施方式，例如经由空气冷却对单向整流器进行无源冷却，其中，可以将冷却空气经由合适的空气通道馈送到要冷却的部分。在这种情境下同样可以想到对流的油冷却。在风电场应用中，可使用的冷却功率很好地与功率损耗、也就是说在整流器中产生的热的量相关。
适宜的是，单向整流器经由至少一个变压器与海洋侧的交流电压网络连接。通常需要变压器，因为单向整流器预先给定施加的直流电压和交流电压之间的固定的预先给定的转换比。此外，变换器确保在某些情况下需要的电势隔离。此外适宜的是，在紧邻单向整流器的直流电压连接部中布置直流电压平波电抗器。平波电抗器可以用于减小在单向整流器的直流电压输出端产生的直流电压的波纹。
附图说明
下面，根据在图1和2中示出的根据本发明的设备的实施例详细说明本发明。
图1以示意性示图示出了根据本发明的用于传输电力的设备的实施例。
图2以示意性示图示出了根据本发明的设备的能量存储装置的实施例。
具体实施方式
图1示出了与风电场7耦合的海洋侧的第一交流电压网络2。风电场7布置在海洋中，并且包括被设置用于将风能转换为电能的多个风力发电设备72。海洋侧的第一交流电压网络2以三相的方式构造。
根据按照图1的实施例，用于传输电力的设备1包括二极管整流器10。二极管整流器10在交流侧与海洋侧的第一交流电压网络2连接。二极管整流器10可以构造为本领域技术人员已知的所谓的六脉冲桥或者本领域技术人员同样已知的十二脉冲桥。
二极管整流器10在直流电压侧连接到直流电压连接部4，其中，直流电压连接部4包括极性相反的直流电压线路41和42。直流电压连接部4从布置在海洋侧的二极管整流器10引导到陆地，其中，直流电压连接部4的长度一般可以在30km和300km之间改变。在图1中由海岸线5示出海岸。
自换向的转换器20布置在陆地上并且在直流侧连接到直流电压连接部。自换向的转换器20在交流侧与陆地侧的第二交流电压网络3连接。在所示出的示例中，陆地侧的交流电压网络3是连接到多个用电设备的能量供应网络。交流电压网络3以三相的方式构造。直流电压线路41和42分别具有被设置用于断开直流电压线路41和42的两个直流电压开关11和12。直流电压开关11和12例如是机械隔离开关或者电子断路器。此外，在海洋侧的第一交流电压网络2中布置有开关8，开关8被设置用于将交流电压网络2与二极管整流器10断开。开关8例如是功率开关。
二极管整流器10布置在海上平台14上，其借助平台腿矗立在海底上。
设备1还包括变压器6，其初级绕组与二极管整流器10的交流电压连接端连接，并且其次级绕组与母线71连接，其中，风力发电设备72同样与母线71连接。
在图1中示出的设备1仅能够进行从风电场7到第二交流电压网络3的单向能量传输。特别是在风电场7周围的风速处于风力发电设备72的接通风速以下的弱风阶段，可能没有能量从风电场传输到第二交流电压网络3中。然而，在弱风阶段还可能需要向风电场7和风力发电设备72供应能量。当风电场7与风力发电设备72需要能量时，例如用于对准风力发电设备72，用于对准风力发电设备72的转子叶片，用于提供用于对风力发电设备72进行加热的能量，则为此需要的功率由发电装置9B提供。在图1中示出的根据本发明的设备1的实施例中，能量供应装置9B经由开关161与风力发电设备72连接。能量产生装置9B包括光伏发电设备，其可以在弱风阶段期间向风力发电设备72供应所需的能量。能量产生装置9B与能量存储元件91相关联，在所示出的实施例中，能量存储元件91包括空心体，通过使其下降到水中可以存储能量。以这种方式，与风电场7周围的风力状况无关地确保风力发电设备72的能量供应。
设备1还包括能量产生装置9A，其经由开关161与第一交流电压网络2连接。能量产生装置9A配备有多个垂直轴风力涡轮机(在图中未示出)，其被配置用于，当垂直轴风力涡轮机周围的风速处于风力发电设备72的接通风速以下时，将风能转换为电能。因此，能量产生装置9A可以产生第一交流电压网络2中的交流电压，使得风力发电设备72本身可以在起动时与第一交流电压网络2同步。
能量产生装置9A具有能量存储元件91。在图1中示出的示例中，能量存储元件91是可再充电的电池。
在图2中示意性地示出了在图1中示出的设备1的与能量产生装置9B相关联的能量存储装置91的实施例。能量存储装置91布置在风力发电设备72的塔架721的足部。在设备1正常运行时，即当风力发电设备72周围的风速处于风力发电设备72的接通风速以上时，风力发电设备72以通常的方式将风能转换为电能。风使风力发电设备72的叶片722旋转。接收的旋转能量借助发电机G转换为电能，其中，发电机G产生三相交流电压。借助整流器GR将交流电压转换为直流电压，随后借助逆变器R转换为希望的交流电压。将该交流电压馈入第一交流电压网络2中。
借助能量存储装置91可以存储风力发电设备72产生的能量。能量产生装置91包括浮体17，浮体17是向下开口的空心容器。在空心体17的空心室18中存在空气。空心体17以可移动的方式布置，这在图2中由双箭头20示出。空心体17借助缆绳21与辊22连接。通过将缆绳21卷绕在辊22上，可以使空心体17移动。空心体17的移动方向由转向辊91预先给定。能量存储装置91还具有被配置用于使辊22停止的停止制动器23。空心体17布置在水面15以下。向水面15的方向的浮力作用在空心体17上。向水面15的方向的空心体17的移动使辊22旋转。发电机MG可以将辊22的这种旋转转换为电能。借助转换器24，可以将以这种方式获得的电能向风力发电设备72馈送。对应地，当风力发电设备72周围的风速处于风力发电设备72的接通风速以上时，能量存储装置91可以从风力发电设备72汲取能量。能量通过能量存储装置91的存储是通过空心体17对抗作用在其上的浮力的移动来进行的。在图2中示出的实施例中，能量存储装置91具有多个缆绳21，能量存储装置91可以借助缆绳21与其它风力发电设备72和/或与光伏发电设备连接，从而能够在多个风力发电设备72之间进行能量传输。
附图标记列表
1用于传输电力的设备
2第二交流电压网络
3第一交流电压网络
4直流电压连接部
41,42直流电压线路
5海岸线
6变压器
7风电场
71母线
72风力发电设备
721塔架
722叶片
8开关
9A,9B能量产生装置
91能量存储元件
10单向整流器
11,12直流电压开关
14海上平台
15水面
161开关
17浮体
18空心室
19转向辊
20双箭头
21缆绳
22辊
23停止制动器
24转换器
G发电机
GR整流器
MG发电机
WR逆变器

Claims (15)

1.一种用于在第一交流电压网络(2)和第二交流电压网络(3)之间传输电力的设备(1)，具有能连接到第二交流电压网络(3)的自换向的转换器(20)，自换向的转换器(20)经由直流电压连接部(4)与单向整流器(10)连接，其中，单向整流器(10)能在交流侧与第一交流电压网络连接，并且能经由第一交流电压网络(2)与风电场(7)连接，其中，风电场(7)具有至少一个风力发电设备(72)，风力发电设备(72)被配置用于，在风速在接通风速以上时，向第一交流电压网络(2)中馈入电力，
其特征在于，
能与第一交流电压网络(2)和/或能与至少一个风力发电设备(72)连接的、用于提供电能的能量产生装置(9A,9B)，其中，能量产生装置(9A,9B)被配置用于，在风速在所述至少一个风力发电设备(72)的接通风速以下时，转换来自能量产生装置(9A,9B)周围的可再生初级能源。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，
其特征在于，
能量产生装置(9A,9B)被配置用于产生第一交流电压网络(2)中的交流电压。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，
其特征在于，
单向整流器(10)是二极管整流器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
风电场(7)被布置在海洋中或者湖泊中。
5.根据权利要求4所述的设备(1)，
其特征在于，
单向整流器被布置在海上平台(14)上，并且自换向的转换器(20)被布置在陆地上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
能量产生装置(9A,9B)包括至少一个用于将风能转换为电能的弱风风力涡轮机。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，
其特征在于，
能量产生装置(9A,9B)包括至少一个垂直轴风力涡轮机。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
能量产生装置(9A,9B)包括至少一个用于将太阳能转换为电能的光伏发电模块。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
能量产生装置(9A,9B)包括至少一个用于将太阳能转换为热能的集热器。
10.根据权利要求4至8中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
能量产生装置(9A,9B)包括至少一个用于将动能和/或潜在的海洋能源转换为电能的流涡轮机或者波浪能转换器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
能量产生装置(9A,9B)包括至少一个能量存储装置(91)。
12.根据权利要求11所述的设备(1)，
其特征在于，
能量存储装置(91)被配置用于存储浮体的浮动能。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
自换向的转换器(20)是模块化的多电平转换器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
单向整流器(10)具有无源冷却。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
单向整流器(10)能经由至少一个变压器(6)与第一交流电压网络(2)连接。
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