CZ200529A3 - Zpusob cinnosti vetrné turbíny a vetrná turbína pro provádení tohoto zpusobu - Google Patents

Abstract

Zpusob cinnosti vetrné turbíny, pri nemz se rotorová vinutí asynchronního generátoru (30), který obsahuje statorové cívky (32), pripojené k napetí distribucní síte, napájená rotorovými proudy napájecí jednotkou pohánejí rotorem (10) vetrné turbíny, pricemz frekvence napájecích rotorových proudu se regulují v závislosti na frekvenci otácení rotoru (10) a napájecí jednotka se v prípade predem stanovených zmen amplitudy napetí distribucní síte elektricky odpojí od rotorových vinutí (34), se provádí tak, ze napájení rotorovým proudem se po odpojení zpusobeném zmenou amplitudy napetí distribucní síte obnoví, jakmile proudy vytvárené v rotorových vinutích (34) touto zmenou klesnou na predem stanovenou hodnotu. Vetrná turbína obsahuje nouzovou jednotku, která obsahuje odblokovávací usporádání pro odblokování napájení rotorovým proudem po odpojení, kdyz proudy vytvárené v rotorových vinutích (34), vyvolávající odpojení, zmenou amplitudy napetídistribucní síte klesnou na predem stanovenou hodnotu.

Description

Způsob činnosti větrné turbíny a větrná turbína pro provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu činnosti větrné turbíny, při němž se rotorová vinutí asynchronního generátoru, který obsahuje statorové cívky připojené k napětí distribuční sítě, napájená nebo zásobovaná rotorovými proudy napájecí nebo zásobovací jednotkou pohánějí rotorem větrné turbíny, přičemž frekvence napájecích nebo zásobovacích rotorových proudů se regulují v závislosti na frekvenci otáčení rotoru a napájecí jednotka se v případě předem stanovených změn amplitudy napětí distribuční sítě elektricky odpojí od rotorových vinutí. Vynález se dále týká větrné turbíny pro provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Ve větrných elektrárnách dochází k extrémním a krátkodobým kolísáním poskytování primární energie v důsledku poryvů větru. Z tohoto důvodu se pro výrobu elektrické energie pomocí větrných elektráren používají generátory s proměnnou frekvencí otáčení, protože při použití takových generátorů se energie větrných rázů nedodává ihned do distribuční sítě, nýbrž změnou frekvence otáčení se akumuluje v odstředivých hmotách větrné elektrárny. Tímto způsobem je možno mechanická zatížení větrné elektrárny podstatně snížit ve srovnání s elektrárnami s pevnou frekvencí otáčení a mechanické části mohou být navrženy a provedeny tak, aby měly nízkou hmotnost a aby výrobní náklady byly nízké. Jako generátory s proměnnou frekvencí otáčení se obvykle používají asynchronní • · • · · · • 4 generátory, u nichž jsou jejich statorové cívky přímo připojeny k distribuční síti, a jejichž rotorová vinutí jsou poháněna rotorem větrné elektrárny a pomocí vhodných měničů napájena rotorovými proudy. To znamená, že frekvence přiváděných rotorových proudů jsou regulovány takovým způsobem, aby součet frekvence otáčení rotoru a frekvence rotorového proudu se neustále rovnal frekvenci distribuční sítě. Pro napájení rotorových vinutí mohou být použity usměrňovači měniče připojené k distribuční síti, stejně jako měniče pomocných napěťových obvodů s měničem sítě a měničem výkonu rotoru připojeným k nim přes indukční a/nebo kapacitní jalový odpor.

Při použití usměrňovačích měničů a při použití měničů pomocných napěťových obvodů nastává problém v tom, že mezi distribuční sítí a statorovými cívkami nastávají v důsledku změn amplitud napájecího napětí způsobených distribuční sítí, například krátkými spojeními, velké rozdíly v napětí. Tyto rozdíly zase způsobují to, že ve statorových cívkách přímo připojených k distribuční síti, vznikají velké proudy. Tyto velké proudy vznikají ve statorových cívkách proto, že asynchronní generátor je obvykle plně vybuzen změnou amplitudy frekvence distribuční sítě a rotorem se permanentně dodává mechanická energie. Vznik velkých proudů ve statorových cívkách v důsledku změn napájecího napětí vede ke vzniku vysokých indukovaných napětí v rotorových vinutích, což zase může způsobit poškození měničů použitých pro přívod rotorového proudu. Při použití měniče pomocného napěťového obvodu mohou být zcela zničeny inverzní diody měniče výkonu rotoru, a to v důsledku vysokých proudů způsobených napětími indukovanými v rotorových vinutích. Z toho důvodu se u známých způsobů činnosti větrné elektrárny s asynchronním generátorem napájecí jednotka použitá pro přivádění rotorových proudů v důsledku změn napětí pomocného obvodu obvykle odpojí od rotorových vinutí, a to zejména tehdy, když poklesy napájecího napětí jsou způsobeny krátkými spojeními, ·· ···· ·♦ ···· • · · · · · • · · · · ···

9 · · · · · • · · · · · · ·· ·· · · . · · · aby se tímto způsobem zabránilo poškození napájecí jednotky nebo měniče v důsledku napětí nebo proudů indukovaných v rotorových vinutích. Po stabilizování napájecího napětí se u známých způsobů obnoví napájení rotorovým proudem pro buzení asynchronního generátoru a opětovnou synchronizaci s distribuční sítí. Tyto způsoby jsou popsány například v publikaci „Siemens - Energietechnik 5“ (1983) svazek 6, str. 364-367: „Einsatz einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine in der Grossen Windenergieanlage Grovian“. Obsah tohoto dokumentu, týkající se odpojování měniče od rotorových vinutí, se zde explicitně začleňuje do přítomného popisu. Trvání přerušení činnosti asynchronního generátoru mezi poklesem napájecího napětí, které může vést k poklesu amplitudy napájecího napětí až na 15 % požadované hodnoty, a obnovení napájecího napětí na například 80 % požadované hodnoty může obvykle činit pouze několik sekund, takže ztráta způsobená tímto přerušením podstatně nesnižuje celkovou účinnost větrné elektrárny.

Se zvyšováním počtu používání regeneračních zdrojů energie, například větrných elektráren, na výrobu elektrické energie nastává problém v tom, že trvání poklesu napájecího napětí se podstatně prodlužuje, protože pro rychlou stabilizaci napájecího napětí po poklesu napětí způsobeném například krátkým spojením není k dispozici dostatek energie.

Podstata vynálezu

Ve světle těchto problémů u známých provedení je úkolem vynálezu dosáhnout zlepšení známých způsobů činnosti větrné elektrárny, přičemž toto zlepšení by mělo být použito pro stabilizaci napájecího napětí po poklesech napětí, aniž by došlo k ohrožení elektrických komponent větrné elektrárny, jakož i vytvořit větrnou elektrárnu schopnou provádění takových způsobů.

Podle prvního aspektu je uvedený úkol vyřešen zlepšením známých způsobů činnosti větrné elektrárny, a to způsobem činnosti větrné turbíny, při němž se rotorová vinutí asynchronního generátoru, který obsahuje statorové cívky připojené k napětí distribuční sítě, napájená nebo zásobovaná rotorovými proudy napájecí nebo zásobovací jednotkou pohánějí rotorem větrné turbíny, přičemž frekvence napájecích nebo zásobovacích rotorových proudů se regulují v závislosti na frekvenci otáčení rotoru a napájecí jednotka se v případě předem stanovených změn amplitudy napětí distribuční sítě elektricky odpojí od rotorových vinutí, podle vynálezu, jehož podstatou je, že napájení rotorovým proudem se po odpojení napájecí jednotky způsobeném změnou amplitudy napětí obnoví, jakmile proudy vytvářené v rotorových vinutích touto změnou klesnou na předem stanovenou hodnotu.

Toto zlepšení se týká zjištění, že vysoké proudy indukované v rotorových vinutích při poklesu napájecího napětí se sníží a/nebo zaniknou po odpojení měničů, které jsou použity pro napájení rotorovými proudy, například krátkým spojením rotorových vinutí přes odpor, který má nízkou impedanci v rozsahu 50 až 150 ms, takže napájení rotorovým proudem může být obnoveno po této krátké době bez ohrožení měničů. Když se navíc vezme v úvahu skutečnost, že dokonce i v případě poklesu napájecího napětí na 15 % požadované hodnoty je možné spolehlivé zjištění fázové polohy a průchodů nulou, může být regulovaná napájecí činnost větrné elektrárny do distribuční sítě obnovena prostřednictvím odpovídající regulace amplitudy a fázové polohy přiváděných rotorových proudů ihned po snížení proudů indukovaných v rotorových vinutích. Větrná elektrárna tímto způsobem přispívá ke stabilizaci napájecího napětí, které může zůstat na hodnotě asi 15 % napájecího napětí po časovou periodu 500 ms, takže po snížení a/nebo zániku indukovaných proudů v rotorových • · * · · · ·,······' s .····.·· ····

J · ♦···♦·· ···· · ·· ·· ·· vinutích zbývá časová perioda delší než 300 ms. V průběhu této časové periody může větrná elektrárna přispět ke stabilizaci napájecího napětí předtím, než se toto napájecí napětí opět zvýší a způsobí nové zvýšení proudů indukovaných v rotorových vinutích, což může učinit nutným nové odpojení napájecí jednotky nebo měničů od rotorových vinutí, aby se zabránilo poškození.

V průběhu této časové periody může být buď do distribuční sítě nebo do zkratovacího obvodu přiváděn násobek jmenovitého proudu elektrárny, což způsobí pokles napájecího napětí.

V zásadě může být obnovení napájení rotorovým proudem dosaženo za předpokladu, že předem stanovená doba je konstantní. Z hlediska zvýšení bezpečnosti elektrárny se ukázalo jako zvlášť výhodné, když se napájení rotorovým proudem obnoví tehdy, když se rotorový proud snímá jako dvou nebo třífázový signál nebo když se usměrněný proud snímá jako jednofázový signál a když proud, který byl snímán, klesne na předem stanovenou hodnotu. Pro snímání proudů mohou být použity transformátory (například kompenzované transformátory proudu).

Je nutno vzít rovněž v úvahu zvětšení amplitudy napájecího napětí na požadovanou hodnotu v průběhu doby kratší než jedna milisekunda obnovení napájecího napětí. V rotoru proto může být indukováno stejnosměrné napětí a střídavé napětí o frekvenci 50 Hz, takže může být nutné nové odpojení rotorových vinutí od napájecí jednotky, například zkratováním rotorových vinutí. Generátor se kvazi zkratovanými rotorovými vinutími částečně odpojí od napětí. V důsledku toho se, v závislosti na skutečné frekvenci otáčení, komponenta stejnosměrného proudu sníží a účinnou se stane komponenta střídavého proudu o frekvenci 50 Hz. Jestliže v době poklesu napájecího napětí (výskytu podpětí v distribuční síti) byla φφ φφφφ φ φ · φ φ · · φ

« ·φ

ΦΦΦ frekvence otáčení větrné elektrárny v podsynchronním rozsahu, vede obnovení napájecího napětí k pokusu o zkratování motoru pro skokový vzestup na synchronní frekvenci otáčení v režimu motoru. To znamená, že, když se napájecí napětí vrátí, může větrná elektrárna získávat proud. Jestliže frekvence otáčení větrné elektrárny byla v době poklesu napětí (výskytu podpětí distribuční sítě) v nadsynchronním rozsahu, opakování napájecího napětí způsobí zkratování motoru pro skokový sestup na synchronní frekvenci otáčení v režimu generátoru. To znamená, že, když se napájecí napětí vrátí, větrná elektrárna dodává proud. Když amplituda rotorového proudu klesne dostatečně pod 100 až 200 ms, napájení rotorovým proudem může být v rámci způsobu podle vynálezu obnoveno při obnovení napájecího napětí.

Jak již bylo výše vysvětleno, může být v rámci vynálezu zvlášť výhodné, že rotorová vinutí jsou zkratována pro odpojení od napájecí nebo zásobovací jednotky, takže proudy indukované v rotorových vinutích se mohou snížit zvlášť rychle. Proto může být použita takzvaná „páka“, která zkratuje rotorová vinutí prostřednictvím odporu s nízkou impedancí, zejména prostřednictvím impedance, a snižuje vybuzení motoru. Tato takzvaná páka může být realizována například ve formě částečně regulovaného můstku B6. Když je použit měnič pomocného napěťového obvodu, může být současně měnič rotorového proudu zablokován, protože měnič distribuční sítě zůstává připojen k této distribuční síti a dodává zdánlivý výkon. Jak již bylo vysvětleno výše, v tomto případě klesne rotorový proud a startovací proud v časovém rozpětí 50 až 150 ms v závislosti na odporu.

Podle výhodného provedení vynálezu je regulační zařízení provedeno pro regulaci amplitudy a/nebo fázové polohy proudů indukovaných v rotorových vinutích. Činný výkon a jalový výkon • to·· • · ···· • · • to · ♦· • · · · · • to · ♦ · to to··· ·· · • * · · ···· · ·· ·«· ··· asynchronního generátoru mohou být regulovány v závislosti na sobě navzájem změnou fázové polohy.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže popsán s odkazem na výkresy, na něž je explicitně uváděn odkaz pro každou podrobnost, která může být podstatná pro vynálezu, avšak není podrobně v popisu vysvětlena. Na výkresech obr. 1 znázorňuje základní schéma obvodu větrné elektrárny podle vynálezu s asynchronním generátorem s dvojitým napájením a měničem v obvodu rotoru, obr. 2 typickou změnu poklesu napájecího napětí v závislosti na čase a obr. 3 detail ze schéma obvodu znázorněného na obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

Podle obr. 1 obsahuje větrná turbína podle předloženého vynálezu rotor 10, který je uspořádán otočně kolem v podstatě vodorovné osy, a který je přes převodovku 20 připojen k asynchronnímu generátoru 30. Asynchronní generátor 30 obsahuje statorové cívky 32 připojené k distribuční síti a rotorová vinutí 34. připojená přes převodovku 20 k rotoru 10..

Frekvence otáčení rotoru jX ie snímána senzorem 40. Rotorové proudy jsou přiváděny do rotorových vinutí prostřednictvím měniče 50. Měnič 50 obsahuje síťový měnič 52 na straně distribuční sítě a rotorový měnič 54 připojený k němu prostřednictvím stejnosměrného ·· ···· • · · • · · · · • · · • · ·

··· napěťového obvodu 56. Dále je použit zkratovací element 60, který je vytvořen jako takzvaná „páka“, přičemž vinutí rotoru 34 mohou být zkratována prostřednictvím odporu s nízkou impedancí. Senzor 40. snímající frekvenci otáčení rotoru 34 je připojen k rotorovému měniči 54 na straně rotoru, aby se tím umožnila regulace frekvence proudů vedených v rotorových vinutích v závislosti na frekvenci otáčení rotoru. Dále je mezi zkratovacím elementem 60 a rotorovým měničem 54 zařazen rotorový filtr 70 vytvořený jako dolnofrekvenční propust. Mezi síťovým měničem 52 a distribuční sítí je dále upraven síťový filtr 71. Pro synchronizaci větrné turbíny s distribuční sítí je dále použit synchronizační přepínač 72.

Podle obr. 2 má pokles napájecího napětí tři fáze. V první fázi klesne amplituda napájecího napětí velmi rychle v době kratší než jedna milisekunda až na hodnotu asi 15 % požadované hodnoty. V druhé fázi, která trvá až 3 sekundy, zůstává amplituda napájecího napětí na této nízké hodnotě. Nakonec se, ve třetí fázi, která má trvání 50 - 150 ms, vrátí napájecí napětí na hodnotu asi 80 % nebo více požadované hodnoty.

V průběhu poklesu napájecího napětí v první fázi musí být měnič 50, zvláště rotorový měnič 54 na straně rotoru, chráněn před poškozením proudy indukovanými v rotorových vinutích. Z tohoto důvodu je u provedení větrné elektrárny podle vynálezu použita nouzová jednotka. Tato nouzová jednotka může být provozována tak, aby elektricky odpojila napájecí jednotku, to znamená měnič 50, od rotorových vinutí 34. Za tím účelem obsahuje nouzová jednotka zkratovací element 60. V případě nouze, to znamená při výskytu poklesu napětí v distribuční síti, se proto rotorová vinutí zkratují prostřednictvím zkratovacího elementu 60 v této první fázi a rotorový měnič 54 se zablokuje. Po zániku indukovaných proudů v rotorových vinutích v době 50 až 150 ms se odpojením zkratovacího elementu 60 ·· ···· ·· · · · • · · · · • 9999 · · · • · · ·

9999 9 99

9999

9 9 9

9 999

9 9 9 9

9 9 9

999 („páky“) a odblokováním rotorového měniče 54 obnoví napájení rotorovým proudem prostřednictvím rotorového měniče 54 na straně rotoru. Za tím účelem obsahuje větrná elektrárna podle tohoto provedení předloženého vynálezu odblokovávací uspořádání pro odblokování napájení rotorovým proudem po odpojení. Když proudy vytvářené v rotorových vinutích 34 a vyvolávající odpojení měniče 50 od rotorových vinutí klesnou na předem stanovenou hodnotu, odblokovávací uspořádání odblokuje napájení rotorovým proudem. Potom se napájení rotorovými proudy obnoví. U provedení podle vynálezu sestává toto odblokovávací uspořádání ze zkratovacího elementu 60.. Když se v průběhu třetí fáze obnoví napájecí napětí, může být v případě potřeby provedeno nové odpojení měniče od rotorových vinutí, aby se tím zabránilo poškození měniče v důsledku proudů indukovaných v rotorových vinutích při obnovení napájecího napětí.

Jak je znázorněno na obr. 3, zkratovací element 60 („páka“) může být realizován jako můstek B6. V tomto případě může být zaniknutí usměrněných rotorových proudů dosaženo prostřednictvím odporu 62 transformátoru proudu v můstku B6. Když napětí pomocného obvodu v měniči 50 překročí předem stanovenou hodnotu v důsledku nadměrně vysokých rotorových proudů, uvede se do činnosti páka vytvořená jako můstek B6. Potom se provede stejný postup jako v případě zkratování distribuční sítě. Kdyby se v rotoru v důsledku krátkodobého podpětí distribuční sítě objevil nadměrně vysoký proud, působila by turbína ve skutečnosti jako v případě zkratování distribuční sítě. Když potom proud klesne na předem stanovenou hodnotu, tyristory můstku B6 se zablokují a zkratování rotorových vinutí 34 se ukončí. Potom se obnoví napájení rotorovými proudy. V důsledku toho tyristory tvoří odblokovávací uspořádání provedení podle vynálezu.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob činnosti větrné turbíny, při němž se rotorová vinutí asynchronního generátoru, který obsahuje statorové cívky připojené k napětí distribuční sítě, napájená rotorovými proudy napájecí jednotkou pohánějí rotorem větrné turbíny, přičemž frekvence napájecích rotorových proudů se regulují v závislosti na frekvenci otáčení rotoru a napájecí jednotka se v případě předem stanovených změn amplitudy napětí distribuční sítě elektricky odpojí od rotorových vinutí, vyznačující se tím, že napájení rotorovým proudem se po odpojení způsobeném změnou amplitudy napětí distribuční sítě obnoví, jakmile proudy vytvářené v rotorových vinutích touto změnou klesnou na předem stanovenou hodnotu.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že rotorové proudy se vedou přes měnič připojený k napětí distribuční sítě, zejména přes pomocný měnič stejnosměrného napětí s měničem rotorového proudu na straně rotoru a přes síťový měnič na straně distribuční sítě.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že v průběhu odpojování zůstane síťový měnič připojen k distribuční síti a měnič rotorového proudu se zablokuje.
4. 4. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že v průběhu odpojování se rotorová vinutí zkratují.
5. 5. Větrná turbína pro provádění způsobu podle jednoho z předcházejících nároků, obsahující rotor s alespoň jednou lopatkou, přičemž rotor je uspořádán otočně vzhledem k v podstatě vodorovné ose rotoru,

   99 9 ·9 9999

   9 9 9 « * ·

   9 · 9 9 9 9

   9 9999 999 9

   9 9 9 9 ·· • 999 9 99 ·· • 9 9999 • 9 9 • 9 · 9 9 • 99 9 • 9 ·99 asynchronní generátor, jehož rotorová vinutí jsou připojena k rotoru, a jehož statorové cívky mohou být připojeny k distribuční síti, napájecí jednotku pro přivádění proudů do rotorových vinutí, regulační jednotku pro regulaci frekvence napájecích proudů v závislosti na frekvenci otáčení rotoru a nouzovou jednotku, která může být ovládána, aby elektricky odpojila napájecí jednotku od rotorových vinutí v případě změn amplitudy napětí distribuční sítě, vyznačující se tím, že nouzová jednotka obsahuje odblokovávací uspořádání pro odblokování napájení rotorovým proudem po odpojení, když proudy vytvářené v rotorových vinutích, vyvolávající odpojení, změnou amplitudy napětí distribuční sítě klesnou na předem stanovenou hodnotu.
6. 6. Větrná turbína podle nároku 5, vyznačující se tím, že rotor je připojen k rotorovým vinutím přes převodovku.
7. 7. Větrná turbína podle jednoho z nároků 5 nebo 6, vyznačující se tím, že napájecí jednotka obsahuje měnič připojený k napětí distribuční sítě.
8. 8. Větrná turbína podle nároku 7, vyznačující se tím, že měnič je pomocným měničem stejnosměrného napětí s měničem rotorového proudu na straně rotoru a síťovým měničem na straně distribuční sítě.
9. 9. Větrná turbína podle jednoho z nároků 5 až 8, vyznačující se tím, že nouzová jednotka obsahuje páku pro zkratování rotorových vinutí.

   •9 9999

   9 9

   9 999 •9 9999
10. 10. Větrná turbína podle jednoho z nároků 5 až 9, vyznačující se tím, že regulační jednotka je upravena pro regulaci polohy amplitudy a/nebo fázové polohy proudů přiváděných do rotorových vinutí.