NO323763B1 - Regulering av reaktiv effekt og generering av elektrisk energi - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for regulering av reaktiv effekt i et elektrisk kraftnett, hvor elektrisk energi frembringes fortrinnsvis ved hjelp av en rotor i et vindenergianlegg, med en elektrisk generator og ved hjelp av en kompensasjonsinnretning som er anordnet mellom denne generator og nettet, for kompensasjon av den reaktive effekt ved modulasjon. Oppfinnelsen gjelder videre en innretning for å frembringe elektrisk energi i et elektrisk nett, med en elektrisk generator som fortrinnsvis drives av en rotor i et vindenergianlegg, og hvor det mellom generatoren og nettet er anordnet en slik kompensasjonsinnretning for kompensasjon av reaktiv effekt.

En stor del forbrukere som er koplet til et elektrisk nett presenterer induktiv reaktiv effekt overfor nettet, og for kompensasjon av en slik reaktiv effektandel kan man bruke kondensatorer som derfor benevnes faseforskyvningskondensatorer. Deres kapasitive reaktans eller blindmotstand må være omtrent like stor som den induktive reaktans eller blindmotstand. En fullstendig kompensasjon av den induktive reaktiv effekt ved hjelp av faseforskyvningskondensator er imidlertid i praksis ikke mulig ved store effektendringer. Videre er det en ulempe at de kondensatorer som ofte blir koplet sammen til større konden-sator/batterier og dermed trenger stor plass også har en negativ virkning på det elektriske netts stabilitet.

Fra patentskriftet US 5 225 712 kjenner man for øvrig en effektomvandler for et vindenergianlegg, og i denne omvandler bruker man midler for å innstille en ønsket effektfaktor for den avgitte effekt.

Oppgaven for den foreliggende oppfinnelse er å unngå de ulemper som hører til den allerede skisserte teknikkens stilling og komme frem til en enkel måte å kompensere for reaktiv effekt i et elektrisk kraftnett. Denne oppgave løses ved en fremgangsmåte og en innretning av den rype som er skissert innledningsvis og som er nærmere spesifisert i patentkravene. Essensen er at man bruker en kompensasjonsinnretning som reguleres slik at den elektriske effekt som avgis til et nett med forbrukere som representer lastenheter far en reaktiv effektkomponent som både når det gjelder fase, amplitude og/eller frekvens blir tilpasset forbrukerens behov slik at den reaktive effekt i/hos denne blir kompensert.

I følge oppfinnelsen oppnås dette formål ved en fremgangsmåte for regulering av reaktiv effekt i et elektrisk nett til hvilket en forbruker er tilkoblet og hvor elektrisk energi genereres av en elektrisk generator som fortrinnsvis drives av en rotor i et vindenergianlegg og er modulert på egnet vis ved hjelp av en kompensasjonsinnretning anordnet mellom generatoren og nettet innrettet for endring av den reaktive komponent av den leverte effekt ved tilpasning av fasen og/eller amplituden av den reaktive effektkomponenten i den leverte elektriske effekt, kjennetegnet ved at kompensasjonsinnretningen blir regulert på en slik måte at den elektriske kraft levert forbrukeren har en harmonisk reaktiv effektkomponent som er tilpasset med hensyn til dets fase og/eller amplitude, og med hensyn til frekvens til forbrukeren for å kompensere for den harmoniske reaktive effekt hos forbrukeren.

I følge et annet aspekt ved oppfinnelsen oppnås dette formål ved en innretning for generering av elektrisk energi i et elektrisk nett til hvilken en forbruker er tilkoblet, med en elektrisk generator fortrinnsvis drevet av en rotor i et vindenergianlegg og en kompensasjonsinnretning anordnet mellom generatoren og nettet innrettet for endring av den reaktive komponent av den leverte effekt ved tilpasning av fasen og/eller amplituden av den reaktive effektkomponenten i den leverte elektriske effekt, kjennetegnet ved en regulermgsinnretning for regulering av kompensasjonsinnretningen slik at den elektriske effekt levert forbrukeren har en harmonisk reaktiv effektkomponent som er tilpasset med hensyn til fase og/eller amplitude og frekvens som leveres til en forbruker i nettet for å kompensere for den harmoniske reaktive effekt hos forbrukeren.

I og med oppfinnelsen blir det således foreslått hvordan elektrisk energi overføres under kompensasjon med hensyn til reaktiv effektkomponent, ved hjelp av en kompensasjonsinnretning, og denne reaktiv effekt vil kunne kompensere for den reaktive effekt hos forbrukeren. For eksempel kan man ved hjelp av oppfinnelsens kompensasjonsinnretning frembringe en kapasitiv effektdel som er tilpasset den tilsvarende induktive effektdel hos forbrukeren, slik at denne induktive effektandel i/hos forbrukeren i alt vesentlig blir fullstendig kompensert. Fordelen med oppfinnelsen består således hovedsakelig i at man har en reguleringsmulighet til rådighet, som både reagerer raskt nok for hyppig forekommende store effektendringer, slik at den fullstendige effektkompensasjon hovedsakelig blir opprettholdt. Derved kan etter valg induktiv eller kapasitiv reaktiv effekt presenteres i det elektriske nett, hvilket etter oppfinnelsen kan realiseres ved innregulering av kompensasjonsinnretningen.

Ved hjelp av oppfinnelsens regulering får man således fortrinnsvis også muligheten til å holde en frekvens på den avgitte elektriske effekt, som passer til forbrukere eller også stemmer overens med et multiplum av en forbrukerfrekvens. I det første tilfelle kan man således levere reaktiv effekt med forbrukernes frekvens eller nettfrekvensen for det elektriske nett. I det siste tilfelle kan man for eksempel etter ønske tilføre oversvingningsrelatert reaktiv effekt i nettet. Som et eksempel kan den femte oversvingning med frekvensen 250 Hz tilføres som kapasitiv oversvingning til nettet. Dette vil i så falle kompensere over-svingningseffekten fra elektriske forbrukere som er tilkoplet dette elektriske nett, så som fjernsynsapparater, energisparepærer etc.

På hensiktsmessig måte omfatter kompensasjonsinnretningen en vekselretter som kan innstilles særlig enkelt når det gjelder fase, amplitude og/eller frekvens for spennings-og/eller strømforløp, så vel som en regulering av disse størrelser, for å komme frem til en effektdel som er egnet til å kompensere for reaktiv effekt i et forbrukerapparat.

Fortrinnsvis har kompensasjonsinnretning en måleinnretning for registrering av spennings- og/eller strømforløp i et elektrisk nett, fortrinnsvis ved tilførselspunktet. Ved en videreutvikling av utførelsen hvor kompensasjonsinnretningen har en vekselretter utfører innretningen styring i samsvar med måleresultatene fra vekselretterens måleinnretning.

Spenningen som genereres i den elektriske generator er fortrinnsvis regulert til å passe til effektdelen hos en forbruker med en bestemt elektrisk forbrukseffekt, hovedsakelig til en nominell verdi. Derved kan tilpasningen av effektdelen ved hjelp av en passende styring passe til effektfaktoren (cos <p) eller fasen av strømmen som frembringes av den elektriske generator. Når denne generator er tilkoplet nettet via en ledning og/eller en transformator reguleres fortrinnsvis generatorspenningen slik at reguleringen dekker et omfang som er i samme størrelsesorden som nettspenningen selv. Derved unngås uønsket høye eller lave spenninger på generatorsiden. Ellers holdes nettspenningen hovedsakelig konstant når det gjelder et hovedsakelig stivt nett.

I det følgende skal foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen gjennomgås, og det vises samtidig til tegningene, hvor: Fig. 1-4 illustrerer forskjellige spennings- og strømforløp, fig. 5 viser oversving-ningsdelen i strømforløpet på fig. 4, fig. 6 viser skjematisk en nettsituasjon som er tilkoplet forbrukere og et vindenergianlegg, fig. 7 viser et ekvivalentskjema for en elektrisk ledning, flg. 8 viser et ekvivalentskjema for et elektrisk nett med en transformator og en elektrisk friledning (a) som er tilkoplet en elektrisk generator tilhørende et vindenergianlegg, så vel som forskjellige driftstilstander i form av vektordiagrammer (b-e), fig. 9 viser skjematisk koplingsskjemaet for en innretning for kompensasjon av oversvingningsstrømmer i en stikkledning, og fig. 10 viser skjematisk en innretning for kompensasjon av oversving-ningsstrømmer i et elektrisk nett.

Det at det oppstår reaktiv grunnsvingningseffekt i elektriske nett er kjent fra lang tid tilbake, og fig. 1-3 viser forskjellige spennings- og strømforløp. På fig. 1 vises et tilfelle hvor man ikke har noen reaktiv effekt, det vil si at spenningen U og strømmen I er i fase. Strømmen kommer altså verken foran eller bak spenningen. Man har således ingen reaktiv grunnsvingningseffekt. Fig. 2 viser et tilfelle hvor strømmen I kommer forskjøvet bak spenningen, og dette er tilfelle hvor nettet har induktiv effektkomponent, hvilket er mest vanlig i elektriske for-brukerapparater, for eksempel i elektromotorer hvor det er induktiviteter. Fig. 3 viser situasjonen når strømmen I ligger faseforskjøvet foran spenningen U, og dette gjelder ved kapasitiv belastning av nettet. Fig. 6 viser en anordning hvor et vindenergianlegg 2 er koplet til et fordelingsnett. I et startpunkt (punkt A) og til et sluttsted (E) i nettet strekker det seg således en elektrisk ledning 4 og er tilkoplet forbrukere 6. Når anlegget 2 ikke fører energi inn i nettet reduseres spenningen fra punkt A til punkt E i ledningen 4 stadig mer, og spenningen i punkt E og forbrukeren 6 nærmest dette punkt får altså en mindre spenning enn i punkt A og forbrukeren 6 nærmest dette punkt på ledningen 4. Når vindenergianlegget 2 eller en større vindpark er koplet til punkt E på ledningen 4 i henhold til fig. 6 og fører elektrisk energi inn i ledningen øker tilkoplingsspenningen i dette punkt E ekstremt. Man får den omvendte situasjon dersom energianlegget 2 i stedet er koplet til punkt A på ledningen 4.

For det tilfelle at den elektriske ledning er utformet som en fri ledning eller luftled-ning (altså ingen jordkabel) har en slik ledning i alt vesentlig induktiv karakteristikk. En jordkabel har imidlertid dempet kapasitet. Fig. 7 viser en ekvivalentoversikt for en ledning.

Med hjelp av en regulering av reaktiv effekt tilknyttet vindenergianlegget kan spenningen i matepunktet (punkt E på fig. 6) reguleres, og for dette brukes fortrinnsvis en såkalt vekselretter.

Fig. 8a viser et ekvivalentskjema med den elektriske generator 3 tilknyttet vindenergianlegget 2 og koplet til en ledning og en transformator til et elektrisk nett (ikke nærmere angitt), hvor nettet er et stivt nett, det vil si med liten indre impedans. På fig. 8b-e vises vektordiagrammer for forskjellige driftstilstander i et slikt nett. I tilfellet A på fig. 8b mater generatoren 3 i vindenergianlegget 2 bare nytteeffekt inn i nettet 10, og man innser at spenningen U^tung i matepunktet/punkt E er høyere enn spenningen Un«zi punkt A. I tilfellet B på fig. 8c blir det også innmatet en viss reaktiv effekt i tillegg til nytteeffekten uten faseforskyvning, og man innser at spenningene Uutang og Un^i endepunktet E og i startpunktet, punkt A da er like store. I tilfellet C på fig. 8d vises videre at for stor induktiv reaktiv effekt fører til at spenningen Ul»^ punkt E blir for lav. Tilfellet D på fig. 8e viser situasjonen når for stor kapasitiv reaktiv effekt blir tilført, og da er spenningen U^tung i punkt E langt høyere enn spenningen Un^. Det siste må for all del unngås.

For effektkompensasjon brukes her en (ikke vist) vekselretter mellom generatoren 3 og punkt E på fig. 8a. Virkemåten for en slik vekselretter er at den kan følge en gitt spen-ningsverdi nøyaktig, for regulering av fasevinkelen cos særlig ved regulering av generatorens (3) driftsspenning i alt vesentlig til en forhåndsbestemt nominell verdi, for en hensiktsmessig tilpasning av den reaktive effektkomponent i den effekt som leveres til forbrukeren (6).

9 for utgangsstrømmen fra vekselretteren, og dette gjøres både raskt og dynamisk riktig.

I tillegg til dette har man i elektriske kraftnett også reaktiv oversvingningseffekt. Stadig flere elektriske forbrukere trenger nemlig strøm som inneholder over/svingninger, eller slike forbrukere genererer elektriske oversvingninger i nettet, for eksempel fjernsynsapparater som på inngangen har en likeretter eller industriapparater som har regu-lerte strømretterelementer. Fig. 4 viser et tilfelle hvor oversvingningseffekt er til stede. Spenningsforløpet U er tilnærmet sinusformet, mens strømmen I i tillegg til grunn-svingningen også har oversvingninger. Særlig er den femte oversvingning markert Fig. 5 viser denne femte oversvingning som en separat strømdel av hovedstrømmen I.

Slike oversvingninger i strømforløpet (strømoversvingninger) forårsaker spen-ningsoversvingninger i nettet, hvilket påvirker kvaliteten av nettspenningen. Det er derfor ønskelig å kompensere for å redusere slike oversvingningseffekter.

På fig. 9 vises skjematisk en stikkledning 11 som med sin ene ende (den venstre på fig. 9) er tilkoplet et (ikke vist) elektrisk nett, og i sin andre ende (den høyre på fig. 9) er koplet til forbrukere 6. En stikkledning 11 av denne type kan for eksempel gi strøm- forsyning til et helt industriområde eller en eller flere landsbyer. Den strøm som går til for-brukerne 6 blir målt ved hjelp av en strømomvandler 12 hvis målesignal går til en analysekrets 14 som fortløpende analyserer strømmen, også hvilket innhold av strømover-svingninger det er. Måleresultatet tjener som referanseverdi som blir tilført utgangssignalet fra en vekselretter 16, og denne vekselretter frembringer således tilnærmet samtidig de nød-vendige oversvingninger og mater dem inn i den elektriske stikkledning 11 foran strømomvandleren 12. På denne måte sikres at den nødvendige oversvingningseffekt for kompensasjon av oversvingningseffekt i det elektriske nett genereres av vekselretteren 16 og ikke tas ut av nettet selv.

Fig. 10 viser skjematisk det elektriske nett 10 hvis spenning måles ved hjelp av en spenningsomvandler 18. Målesignalet fra denne omvandler tilføres en analysekrets 20. Videre er det anordnet en nominellverdikrets 22 som frembringer det ønskede spen-ningsforløp. Utgangssignalet fra analysekretsen 20 trekkes ved hjelp av en subtraksjonskrets 20 fra utgangssignalet fra nominellverdikretsen 22 og tilfører et differanseutgangssignal til vekselretteren 10 som derved i alt vesentlig samtidig genererer de nødvendige oversvingninger for kompensasjon av oversvingningseffekt i det elektriske nett 10. Ved en slik anordning måles altså nettspenningen ved hjelp av spenningsomvandleren 18, og det blir i analysekretsen 20 fastlagt hvilke oversvingninger som finnes i spenningsforløpet. Over-svingningsstrømmene i det elektriske nett 10 genererer nemlig spenningsfall som tilsvarer nettimpedansen og frekvens og amplitude. De således målte og beregnede verdier tilføres vekselretteren 16 som strømnominellverdier, og denne vekselretter 16 genererer deretter i samsvar med disse verdier de strømoversvingninger som har den riktige frekvens, amplitude og faseforskyvning.

Claims (20)

1. Fremgangsmåte for regulering av reaktiv effekt i et elektrisk nett (10) til hvilket en forbruker er tilkoblet og hvor elektrisk energi genereres av en elektrisk generator (3) som fortrinnsvis drives av en rotor i et vindenergianlegg (2) og er modulert på egnet vis ved hjelp av en kompensasjonsinnretning (16) anordnet mellom generatoren (3) og nettet (10) innrettet for endring av den reaktive komponent av den leverte effekt ved tilpasning av fasen og/eller amplituden av den reaktive effektkomponenten i den leverte elektriske effekt,karakterisert vedat kompensasjonsinnretningen (16) blir regulert på en slik måte at den elektriske kraft levert forbrukeren (6) har en harmonisk reaktiv effektkomponent som er tilpasset med hensyn til dets fase og/eller amplitude, og med hensyn til frekvens til forbrukeren (6) for å kompensere for den harmoniske reaktive effekt hos forbrukeren (6).

2. Fremgangsmåte i følge krav 1,karakterisert vedat kompensasjonsinnretningen (16)blir regulert på en slik måte at den elektriske generator (3) produserer en kapasitiv reaktiv effekt for å kompensere for den induktive reaktive effekt hos forbrukeren (6).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2,karakterisert vedat kompensasjonsinnretningen (16) reguleres slik at generatoren (3) fremviser kapasitiv reaktiv effekt, i den hensikt å kompensere for induktiv reaktiv effekt i den last forbrukeren (6) representerer.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3,karakterisert vedat den genererte elektriske effekt har en frekvens som tilsvarer eller danner et multiplum av frekvensen av den reaktive effekt som forårsakes av forbrukeren (6).

5. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3,karakterisert vedat kompensasjonsinnretningen arbeider som en vekselretter (16).

6. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-5,karakterisert vedmåling av strømforholdene i nettet (10) og kontinuerlig analyse av signalene med hensyn til innhold av harmoniske av grunnfrekvensen, idet de har harmoniske komponenter tjener som referansesignaler for kompensasjonsinnretningen (16) slik at denne kan frembringe de nødvendige harmoniske signalkomponenter for innmating i nettet (10).

7. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-5,karakterisert vedmåling av spenningsforholdene i nettet (10) og subtraksjon av de målte signaler fra et referansesignal, slik at det fremkommer et differansesignal som mates inn i kompensasjonsinnretningen (16) slik at denne kan frembringe de nødvendige harmoniske for innmating i nettet (10).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 7,karakterisert vedat tilpasningen av den reaktive komponent utføres ved en tilsvarende styring av effektfaktoren (cos <p) eller fasen av strømmen fra generatoren (3).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 2, 7 eller 8 og hvor den elektriske generator (3) er koplet via en ledning og/eller en transformator til et elektrisk nett,karakterisert vedat spenningen fra generatoren (3) reguleres på slik måte at reguleringsomfanget ved reguleringen blir liggende i samme størrelsesorden som nettspenningen selv.

10. Innretning for generering av elektrisk energi i et elektrisk nett (10) til hvilken en forbruker er tilkoblet, med en elektrisk generator (3) fortrinnsvis drevet av en rotor i et vindenergianlegg (2) og en kompensasjonsinnretning (16) anordnet mellom generatoren (3) og nettet (10) innrettet for endring av den reaktive komponent av den leverte effekt ved tilpasning av fasen og/eller amplituden av den reaktive effektkomponenten i den leverte elektriske effekt,karakterisert veden rcguleringsinruretning (14, 20, 22, 24) for regulering av kompensasjonsinnretningen (16) slik at den elektriske effekt levert forbrukeren (6) har en harmonisk reaktiv effektkomponent som er tilpasset med hensyn til fase og/eller amplitude og frekvens som leveres til en forbruker (6) i nettet for å kompensere for den harmoniske reaktive effekt hos forbrukeren (6).

11. Innretning i følge krav 10 ,karakterisert vedat reguleringsinnretningen (14, 20, 22, 24) regulerer kompensasjonsinnretningen (16) slik at generatorens (3) produserer kapasitiv reaktiv effekt for å kompensere den induktive reaktive effekt hos forbrukeren (6).

12. Innretning ifølge krav 10 eller 11,karakterisert vedat reguleringsinnretningen (14, 20, 22, 24) regulerer kompensasjonsinnretningen (16) slik at den elektriske generator (3) frembringer en kapasitiv reaktiv effekt som kompenserer for den tilsvarende induktive reaktive effekt i en forbruker (6).

13. Innretning ifølge krav 10 eller 11,karakterisert vedat den avgitte elektriske effekt har en frekvens som tilsvarer frekvensen av eller et multiplum av frekvensen av den reaktive effekt som forårsakes av en forbruker (6).

14. Innretning ifølge krav 10-12,karakterisert vedat kompensasjonsinnretningen (16) omfatter en vekselretter (16).

15. Innretning ifølge ett av kravene 10-14,karakterisert vedat reguleringsinnretningen (14, 20, 22, 24) omfatter en måleinnretning (12, 18) for registrering av spennings-og/eller strømforløp i nettet (10) og en analysekrets (14) for kontinuerlig analyse av hvilke harmoniske frekvenskomponenter som foreligger, idet disse tjener som et referansesignal for kompensasjonsinnretningen (16) for frembringelse av de nødvendige harmoniske frekvenskomponenter som skal mates inn i det elektrisk nett (10).

16. Innretning ifølge krav 14 og 15,karakterisert vedat reguleringsinnretningen (14, 20, 22, 24) styrer vekselretteren (16) i avhengighet av måleresultatene fra måleinnret-ningen (12,18).

17. Innretning ifølge minst ett av kravene 10-14,karakterisert vedat reguleringsinnretningen (14, 20, 22, 24) har en måleinnretning (18) for registrering av spenningsfortøpet i nettet (10) og en subtraksjonskrets (24) for subtraksjon av de målte signaler fra et referansesignal, slik at det fremkommer et differansesignal for mating inn i kompensasjonsinnretningen (16) slik at denne kan frembringe de påkrevde harmoniske frekvenskomponenter som skal mates inn i nettet (10).

18. Innretning ifølge krav IS,karakterisert vedat reguleringsinnretningen (14,20, 22, 24) tilpasser den reaktive effektkomponent til den strøm som genereres av generatoren (3), ved tilsvarende styring av effektfaktoren (cos <p) eller fasen av strømmen.

19. Innretning ifølge krav 15 eller 16, og hvor den elektriske generator (3) er koplet til et elektrisk nett via en ledning og/eller en transformator,karakterisert vedat reguleringsinnretningen regulerer spenningen fra generatoren (3) slik at reguleringsbidraget får samme størrelsesorden som nettspenningen selv.

20. Vindenergianlegg som omfatter en innretning ifølge ett av kravene 10-19.