NO342761B1

NO342761B1 - Fremgangsmåte for drift av et vindkraftanlegg

Info

Publication number: NO342761B1
Application number: NO20034735A
Authority: NO
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2018-08-06
Also published as: EP1386078A1; PT1493921T; US6965174B2; EP1493921A1; PL207442B1; NZ528939A; EP2258945A3; KR20040012762A; DE10136974A1; PT2258945T; EP1493921B1; AU2002315303B2; AU2008264176B2; ES2586377T3; PT1386078E; MXPA03009788A; JP5307333B2; KR100669029B1; US20040178639A1; JP2004525598A

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for drift av et vindenergianlegg med en elektrisk generator som kan avgi elektrisk effekt til et elektrisk nett og spesielt til forbrukere som er tilknyttet og som kan drives av en rotor. Det er oppgaven til den foreliggende oppfinnelsen å angi en fremgangsmåte til driften av et vindenergianlegg og også et vindenergianlegg hhv en vindpark som også med vekslende virksom effektavgivelse er i stand til å redusere eller i det minste ikke å øke signifikante uønskede svingningene i spenningen i et forhåndsangitt punkt i nettet sammenlignet med situasjonen uten vindenergianlegg. Fremgangsmåte for drift av et vindenergianlegg med en elektrisk generator som kan avgi elektrisk effekt til et elektrisk nett, spesielt til forbrukere som er tilknyttet dette, karakterisert ved at fasevinkelen (j) blir forandret avhengig av minst en spenning registrert på nettet.

Description

Fagfelt

Den foreliggende oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for drift av et vindenergianlegg med en elektrisk generator som kan avgi elektrisk effekt til et elektrisk nett og spesielt til forbrukere som er tilknyttet og som kan drives av en rotor.

Videre angår foreliggende oppfinnelse et vindenergianlegg, spesielt til gjennomføringen av en slik fremgangsmåte, med en rotor og koplet til rotoren en elektrisk generator som skal avgi elektrisk effekt til et elektrisk nett, og også en vindpark med minst to vindenergianlegg.

Bakgrunn

Med de kjente vindenergianleggene til produksjon av elektrisk energi fra vindenergi blir generatoren med en elektrisk forbruker, hyppig et elektrisk nett drevet i parallelldrift. Under driften av vindenergianlegget kan den elektriske virksomme effekten som er stilt til rådighet av generatoren variere avhengig av den aktuelle vindhastigheten. Dette har til følge at også nettspenningen, eksempelvis ved innmatingspunktet kan være foranderlig avhengig av den aktuelle vindhastigheten.

I tilfelle med innmatingen av den produserte elektriske effekten i et elektrisk nett, eksempelvis et offentlig strømnett kan det derigjennom kanskje komme til svingninger i nettspenningen. Men slike svingninger kan med interesse for en sikker drift for tilknyttede forbrukere bare tillates innen svært trange grenser.

Større avvik fra den verdien nettspenningen i forsyningsnettet skal ha, spesielt middelspenningsplanet, kan for eksempel bli utlignet gjennom betjening av koplingsinnretningen som trinntransformatorer, i det disse blir betjent når forhåndsbestemte grenseverdier blir overskredet hhv verdiene går under. På denne måten blir nettspenningen i alt vesentlig holdt konstant innenfor forhåndsangitte toleransegrenser.

Det er oppgaven til foreliggende oppfinnelsen å angi en fremgangsmåte for driften av et vindenergianlegg og også et vindenergianlegg hhv en vindpark som med varierende virksom energiavgivelse er i stand til å redusere eller i det minste ikke å øke signifikant de uønskede svingningene for spenningen i et forhåndsangitt punkt på nettet sammenlignet med situasjonen uten vindenergianlegg(ene).

Følgende dokumenter omtaler tidligere kjent teknikk på fagfeltet:

• "HIGH QUALITY MAINS POWER FROM VARIABLE-SPEED WIND

TURBINES" R.Jones, G.A.Smith, Renewable Energy, 17-19 November 1993, Conference Publication No.385, © IEE, 1993 • WO 0125630 Al «METHOD FOR OPERATING A WIND FARM», A.

Wobben

• "Voltage type reversible rectifiers control methods in unbalanced and non-sinusoidal conditions" P. Verdelho, in Proceedings of the 24th Annual

Conference of the IEEE, Industrial Electronics Society, August 31-September 4, 1998, vol 31, sidene 479-484

• WO 9311604 Al «VARIABLE SPEED WIND TURBINE WITH REDUCED

POWER FLUCTUATION AND A STATIC VAR MODE OF OPERATION»

US WINDPOWER, 1993.06.10.

• WO 0173518 Al «WIND POWER PLANT HÅVING FIXED-SPEED AND

VARIABLE-SPEED WINDMILLS» ABB RESEARCH LTD; WIIK JAN,

2001.10.04.

Oppsummering

Oppfinnelsen løser oppgaven med en fremgangsmåte av den i innledningen nevnte art ved at fasevinkelen cp til den elektriske effekten som stilles til rådighet av vindenergianleggene forandres avhengig av minst en spenning registrert i nettet.

Med et vindenergianlegg av den arten som er nevnt i innledningen løses oppgaven gjennom en innretning som er i stand til å utføre fremgangsmåten som angår oppfinnelsen.

Med en vindpark av den arten som er nevnt i innledningen blir oppgaven løst gjennom minst en innretning som er i stand til å utføre fremgangsmåten som angår oppfinnelsen, og hver en spenningsregistreringsinnretning for hver separat regulerbare del av vindparken.

Oppfinnelsen forhindrer uønskede svingninger i spenningen som ligger på hos forbrukeren, spesielt den spenningen som består i et nett, i det fasevinkelen til effekten som blir avgitt blir forandret avhengig av spenningen til forbrukeren hhv i nettet. Derigjennom blir uønskede spenningssvingninger utlignet som fremkommer fra forandringer av den virksomme effekten som er avgitt av vindenergianlegg(ene) og den effekten som blir tatt ut av forbrukerne.

Spesielt blir fasevinkelen fortrinnsvis forandret slik at spenningen i det minste i et forhåndsangitt punkt i nettet i alt vesentlig forblir konstant. Her må, for å finne den nødvendige reguleringsstørrelsen, spenningen bli registrert i minst et punkt i nettet.

Spesielt kan dette punktet være et annet enn innmatingspunktet. Gjennom denne registreringen av spenningen og gjennom en egnet forandring av fasevinkelen for den elektriske effekten som blir avgitt av vindenergianlegg(ene) kan en rask reaksjon og virksom regulering bli skapt.

I en spesielt utvalgt utforming blir verdiene for innstillingen av fasevinkelen avledet av forhåndsangitte kjente verdier. Disse kjente verdiene kan fortrinnsvis bli stilt til rådighet i form av en tabell, hvor en på forhånd bestemt kjenningslinje i form av enkeltverdier er avbildet, som tillater en avledning av fasevinkelen som skal innstilles.

I en utvalgt videreutforming av oppfinnelsen kan reguleringen direkte eller indirekte medføre at når spenningssvingningene har overskredet de forhåndsangitte grenseverdiene, gjennom betjening av en koplingsinnretning i nettet, f.eks. en trinntransformator, blir spenningen igjen brakt inn i toleranseområdet. Samtidig hhv i tillegg blir fasevinkelen for et forhåndsbestemt tidsavsnitt innstilt på en konstant verdi - fortrinnsvis en gjennomsnittsverdi, f.eks. null, for igjen å kunne utligne spenningssvingninger som opptrer i det følgende gjennom en passende forandring av fasevinkelen.

I en spesielt utvalgt videreutvikling av oppfinnelsen kan i elektrisk adskilte delområder av nettet passende spenningsregistreringer og innstillinger av fasevinkelen likeledes bli foretatt adskilt, for å regulere hvert delområde slik at spenningen i hvert av delområdene forblir i alt vesentlig konstant.

Vindenergianlegget som angår oppfinnelsen blir på fordelaktig måte videre - utformet gjennom en reguleringsinnretning som har en mikroprosessor, da en digital regulering kan bli virkeliggjort på denne måten.

Vindparken nevnt i innledningen blir fortrinnsvis videreutformet, i det det for hver foreligger en innretning som er i stand til å utføre fremgangsmåten som angår oppfinnelsen, og til hver er en spenningsregistreringsinnretning for hver separat regulerbar del av vindparken, slik at også elektrisk adskilte delområder av nettet separat kan bli regulert slik at spenningen i hvert delområde av nettet i alt vesentlig forblir konstant.

Kort omtale av figurene

I det følgende blir oppfinnelsen ved hjelp av et utformingseksempel på en fremgangsmåte for drift av et vindenergianlegg anskueliggjort med henvisning til tegningene. Her viser

figur 1 et vindenergianlegg som mater inn i et nett vist forenklet,

figur 2 en reguleringsinnretning til drift av et vindenergianlegg som angår

oppfinnelsen,

figur 3 en fremstilling som anskueliggjør sammenhengen mellom nettspenningen og

fasevinkelen,

figur 4 vesentlige bestanddeler av reguleringsinnretningen vist i figur 2 og figur 5 en forenklet fremstilling av en felles eller adskilt regulering av flere vindenergianlegg, alt etter nettsituasjonen.

Detaljert beskrivelse

Et vindenergianlegg 2 vist skjematisk i figur 1 med en rotor 4 er forbundet med et elektrisk nett 6 som eksempelvis kan være et offentlig nett. På nettet er flere elektriske forbrukere tilkoplet. Den elektriske generatoren til vindenergianlegget 2 som ikke er vist i figur 1 er koplet til en elektrisk styrings- og reguleringsinnretning 10 som først likeretter vekselstrømmen som er produsert i generatoren og videre omformer den til en vekselstrøm med en frekvens som tilsvarer nettfrekvensen. Styrings- og reguleringsinnretningen 10 har en reguleringsinnretning som angår oppfinnelsen.

I et fritt valgt punkt 22 i nettet 6 kan det være forutsatt en spenningsregistreringsinnretning 22 som gir tilbake en passende reguleringsstørrelse til reguleringsinnretning 10.

Figur 2 anskueliggjør reguleringssinnretningen som angår oppfinnelsen. Den skjematisk viste rotoren 4 er koplet til en generator 12 som stiller en elektrisk effekt til rådighet som kan avhenge av vindhastigheten. Vekselspenningen som er produsert i generatoren kan først bli likerettet og videre omformet til en vekselspenning som har en frekvens som tilsvarer nettfrekvensen.

Ved hjelp av en spenningsmåler (ikke vist) blir nettspenningen målt på et sted 22 i nettet 6. Avhengig av den registrerte nettspenningen blir leilighetsvis ved hjelp av mikroprosessoren vist i figur 4 - en optimal fasevinkel cp beregnet. Ved hjelp av reguleringsinnretningen blir se nettspenningen U regulert inn til den ønskede verdien Usoii. Gjennom forandringen av fasevinkelen blir den elektriske effekten avgitt fra generatoren 12 til nettet 6 regulert.

Fremstillingen i figur 3 anskueliggjør sammenhengen mellom spenningen i nettet og fasevinkelen. Avviker spenningen fra den verdien den skal ha Usoii som ligger mellom spennings verdiene Umin og Umax, blir tilsvarende kjenningslinjen i diagrammet fasevinkelen cp forandret slik at avhengig av fortegnet på avviket blir det enten matet inn induktiv eller kapasitiv blindeffekt, for på denne måten å stabilisere spenningen i spenningsregistreringspunktet (22 i figur 1).

Figur 4 viser vesentlige bestanddeler i styrings- og reguleringsinnretningen 10 fra figur 1. Styrings- og reguleringsinnretningen 10 har en likeretter 16, hvor vekselstrømmen som produseres i generatoren likerettes. En frekvensomformer 18 forbundet med likeretteren 16 omformer den først likerettede likestrømmen til en vekselstrøm som mates inn på nettet 6 over ledningene LI, L2 og L3 som trefaset vekselstrøm.

Frekvensomformeren 18 styres ved hjelp av en mikrocomputer 20, som er en del av hele reguleringsinnretningen. Til dette er mikroprosessoren 20 koplet til frekvensomformeren 18. Som inngangsstørrelser til mikroprosessoren 20 er det forutsatt den aktuelle nettspenningen U, den elektriske effekten P i generatoren, den verdien nettspenningen skal ha Uson og også effektgradienten dP/dt. I mikroprosessoren 20 virkeliggjøres forandringene som angår oppfinnelsen på effekten som skal mates inn.

I figur 5 er som eksempel på en vindpark vist to vindenergianlegg 2. Hvert av disse vindenergianleggene 2, som symbolsk naturligvis hver kan stå for mange vindenergianlegg, er tilordnet en reguleringsinnretning 10. Reguleringsinnretningen 10 registrerer spenningen i forhåndsangitte punkter 22, 27 i nettet 6, 7 og overfører denne over ledningene 25, 26 til hver av de tilordnete reguleringsinnretningene 10.

Delområdene 6, 7 av nettet kan bli forbundet med hverandre eller skilt fra hverandre over en koplingsinnretning 23. Parallelt med denne koplingsinnretningen 23 er det forutsatt en koplingsinnretning 24, som tillater begge reguleringsinnretningene 10 tilsvarende koplingstilstanden i koplingsinnretningen 23 å forbinde dem med hverandre eller å skille dem fra hverandre.

Er altså de to delområdene 6, 7 i nettet forbundet med hverandre så blir også de to reguleringsinnretningene 10 forbundet med hverandre, slik at hele nettet blir betraktet som en enhet og gjennom hele vindparken matet som en enhet, hvorved vindparken i sin tur blir avhengig av spenningen i registreringspunktet 22, 27 blir regulert som en enhet.

Blir de to delområdene 6, 7 skilt gjennom koplingsinnretningen 23 så blir også reguleringsinnretningene 10 skilt slik fra hverandre at en del av vindparken fra et registreringspunkt 22 blir overvåket av reguleringsinnretningen 10 over en ledning 25 og tilsvarende kan den tilordnete delen av vindparken bli regulert, mens det andre delområdet av nettet 7 blir overvåket gjennom reguleringen 10 fra et registreringspunkt 27 over en ledning 26 som tilsvarende regulerer den andre delen av vindparken for å stabilisere spenningen i delområdet til nettet 7.

Naturligvis må ikke denne oppdelingen være begrenset til to delområder. Denne oppdelingen kan bli oppløst til en tilordning av et enkelt anlegg til et delområde av nettet.

For det tilfelle at den foreskrevne reguleringen spesielt ved måleverdi-registreringen har en annen toleranse enn den koplingsinnretningen (trinntrans-formatorene) som er tilgjengelig i nettet så kan det leilighetsvis bli slik at begge innretningene påvirker den foreskrevne reguleringen på den ene siden og koplingsinnretningen på den andre siden, slik at det oppstår en slags ping-pong-effekt, hvorved f.eks. trinntransformatoren kopler og derved forandrer spenningen i nettet slik at den beskrevne reguleringen som angår oppfinnelsen griper inn. Med denne inngripende reguleringen forandres igjen spenningen i nettet slik at trinntransformatoren kopler igjen osv.

For å motvirke denne uønskede ping-pong-effekten kan det i andre utforminger av oppfinnelsen forutsettes at som inngangssignal for reguleringsinnretningen som angår oppfinnelsen forutsettes måleresultatet fra koplingsinnretningen (f.eks. trinn-transformatorens). Dette skjuler riktignok av og til ulempen med en mindre nøyaktighet i måleresultatet, men eliminerer risikoen for en vedvarende gjensidig påvirkning av komponentene og virker også dermed ennå i ånden til oppgaven som ble stilt.

Fasevinkelen beskrevet i foreliggende søknad er vinkelen mellom strøm og spenning for den innmatede elektriske effekten fra generatoren i vindenergianlegget. Er fasevinkelen 0° mates bare den virksomme effekten inn. Er fasevinkelen ^ 0° blir det ved siden av den virksomme effekten også matet inn en blindeffektandel, hvorved det med en fasevinkelforandring ikke nødvendigvis også må inngå en økning eller reduksjon av skinneffekten, men også skinneffekten kan alt i alt forbli konstant, men de størrelsesmessige andelene mellom blindeffekten og den virksomme effekten forandrer seg tilsvarende fasevinkelinnstillingen.

Som tidligere beskrevet er en oppgave for oppfinnelsen å redusere uønskede spenningssvingninger i et bestemt punkt i nettet eller ved påkopling av et vindenergianlegg i det minst ikke å øke dem signifikant. Til dette er det hva oppfinnelsen angår forutsatt at fasevinkelen for den elektriske effekten som skal mates inn fra vindenergianlegget (eller vindparken) kan bli variert på egnet måte for å kompensere for spenningssvingninger.

En innretning som allerede regelmessig er tilgjengelig ved vindenergianlegg også i nett, nemlig en såkalt trinntransformator (ikke vist), tjener i utgangspunktet den samme oppgaven. Gjennom muligheten med trinntransformatoren, gjennom koplings-forløp å forandre overføringsforholdet, kan likeledes spenningen i nettet - eller i det minste på sekundærsiden av transformatoren - bli påvirket. Men dette er bare mulig i trinn som tilsvarer koplingstrinnene til trinntransformatoren.

Til dette råder en slik trinntransformator som regel over den muligheten å registrere nettspenningen. Så snart nå denne spenningen overskrider hhv går under denne forhåndsbestemte grenseverdien blir et koplingsforløp for trinntransformatoren utløst og dermed nettspenningen igjen tilbakeført til et forhåndbestemt toleranseområde.

Også vindenergianlegget som angår oppfinnelsen hhv dets vekselretter over-våker spenningen i nettet og forsøker gjennom egnede forholdsregler å holde denne spenningen innenfor et forhåndsbestemt toleranseområde. Da disse toleranse området sikkert ikke er eksakt dekningslike, kan det oppstå en situasjon hvor vindenergianlegget og trinntransformatoren motarbeider hverandre, i det trinntransformatoren alternerende går trinnvis opp og ned og vindenergianlegget motsatt alternerende er opptatt med å redusere og å heve spenningen. Det er lett å innse at det dermed kan inntre en ikke akseptabel forverring av spenningsstabiliteten i nettet.

For å unngå den foran beskrevne effekten viser derfor oppfinnelsen på den ene siden at spenningen - som overføres som målestørrelse til vindenergianlegget - blir registrert i et annet punkt enn innmatingspunktet og/eller på den andre siden at reguleringen direkte eller indirekte kan medføre betjeningen av en koplingsinnretning i nettet. Dette andre punktet kan naturligvis også være trinntransformatoren, slik at vekselretteren styres med den samme spenningsverdien som trinntransformatoren. Dermed kan på den ene siden det at trinntransformatoren og vekselretteren motarbeider hverandre bli unngått med avvikende toleranser. Men på den andre siden kan vindenergianlegget gjennom passende innmating av blindeffekt målrettet utløse et koplingsforløp i trinntransformatoren (indirekte betjening) eller over en styreledning utløse et slikt koplingsforløp (direkte).

Det kan fra nettdriverens synspunkt være ønskelig at vindenergianlegget produserer blindeffekt som på den andre siden skal bli overført til trinntransformatoren. Men da innmatingen av blindeffekt fører til en forandring av spenningen på nettet ville på denne måten en indirekte betjening av trinntransformatoren bli utløst og akkurat det er i denne situasjonen ikke ønsket og dermed kontraproduktivt.

Løsningen som angår oppfinnelsen består nå i å undertrykke akkurat dette koplingsforløpet, nemlig opp- eller nedtrinnskoplingen. Med denne undertrykkingen av trinnvalget er det ment "ikkekoplingen" av koplingen, for på denne måten å kunne overføre den ønskede blindeffekten til den andre siden av trinntransformatoren.

Claims

1 Fremgangsmåte for drift av et vindenergianlegg med en elektrisk generator som kan være drevet av en rotor for å avgi elektrisk effekt til et elektrisk nett, spesielt til forbrukere som er tilknyttet dette, hvor nettet har en nettverksspenning som varierer,karakterisert vedat fasevinkelen (p av den elektriske effekten tilveiebrakt av vindenergianlegget varieres som en funksjon av minst én spenning detektert i nettet, for å redusere uønskete nettverksspenningsfluktuasjoner ved et forhåndsbestemt punkt i nettet og ved at fasevinkelen cp er definert ved vinkelen mellom strømmen og spenningen av effekten matet inn i nettet.

2 Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat fasevinkelen cp blir forandret slik at spenningen på minst ett forhåndsangitt punkt i nettet i alt vesentlig forblir uforandret.

3 Fremgangsmåte ifølge ett av de forutgående krav,karakterisert vedat spenningen blir registrert på minst ett forhåndsbestemt punkt (22, 27) i nettet.

4 Fremgangsmåte ifølge ett av de forutgående krav,karakterisert vedat spenningen er detektert ved et punkt (22, 27) annet enn innmatingspunktet.

5 Fremgangsmåte ifølge ett av de forutgående krav,karakterisert vedat verdiene som skal innstilles for fasevinkelen cp blir avledet av forhåndsbestemte karakteristiske verdier.

6 Fremgangsmåte ifølge ett av de forutgående krav,karakterisert vedat reguleringen direkte eller indirekte kan medføre å styre en koplingsinnretning i nettet.

7 Fremgangsmåte ifølge ett av de forutgående krav,karakterisert vedat for delområder av nettet (6, 7) blir det adskilt foretatt passende spenningsregistreringer og reguleringer ved hjelp av fasevinkelen (p.

8 Vindenergianlegg,karakterisert vedet apparat (10) for å utføre fremgangsmåten ifølge ett av de forutgående krav.

9 Vindpark med minst to vindenergianlegg,karakterisert veden innretning (10) til å utføre fremgangsmåten ifølge ett av kravene 1-7, og én spenningsregistreringsinnretning (22, 27) for hver separat regulerbar del av vindparken.

10 Fremgangsmåte ifølge ett av krav 1 til 7,karakterisert vedat fasevinkelen avhengig av minst en spenning registrert i nettet blir forandret kapasitivt eller induktivt inntil spenningen antar en forhåndsbestemt verdi den skal ha.