PL206323B1

PL206323B1 - Sposób sterowania pracą elektrowni wiatrowej oraz elektrownia wiatrowa

Info

Publication number: PL206323B1
Application number: PL358384A
Authority: PL
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Wobben AloysWobben Aloys
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2001-03-31
Publication date: 2010-07-30
Also published as: US20030155773A1; EP1371846A2; CN1437684A; NO20025360D0; KR20030009484A; EP2275675A2; ES2690752T8; DE10022974C2; PT1282774E; US6891281B2; JP2006296200A; EP1282774B1; ES2204859T5; MXPA02011066A; EP1371846B1; JP2003535561A; DE50100583D1; ES2811748T3; AU2005201920A1; ZA200209257B

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu sterowania pracą elektrowni wiatrowej posiadającej generator napędzany wirnikiem dostarczający moc elektryczną do sieci elektrycznej, do której ta elektrownia wiatrowa jest dołączona. Sposób obejmuje dostarczanie prądu przemiennego do sieci w celu zasilania jej mocą elektryczną oraz pomiar częstotliwości sieci za pomocą urządzenia regulacyjnego. Wynalazek dotyczy ponadto elektrowni wiatrowej do produkcji mocy elektrycznej i dostarczania jej do sieci elektrycznej, przy czym elektrownia zawiera generator napędzany wirnikiem dla dostarczania mocy elektrycznej do sieci, falownik do dostarczania mocy elektrycznej do sieci elektrycznej jak również urządzenie regulacyjne do mierzenia częstotliwości sieci, zawierające mikroprocesor.

W przypadku słabych sieci elektrycznych (wyspa) częstotliwość sieci roś nie bardzo szybko (gwałtownie), kiedy stosunkowo duży odbiorca zostaje odłączony od sieci. Maszyny napędowe, takie jak na przykład silniki wysokoprężne, koła wodne itp., wymagają pewnego czasu na zmniejszenie swej mocy (mechanicznej i elektrycznej). W tym czasie generatory takie wytwarzają więcej energii niż jest pobierane z sieci. Energia ta jest następnie zużywana na przyspieszenie generatorów. Oznacza to, że prędkość obrotowa, a zatem również częstotliwość sieci zwiększa się.

Z niemieckiego zgł oszenia patentowego DE 19756777 A1 znany jest sposób sterowania instalacją wiatrową, zgodnie z którym steruje się mocą dostarczaną do sieci z generatora, w zależności od napięcia sieci.

Natomiast z japońskiego zgłoszenia patentowego JP 2000 078896 A znany jest system generowania mocy elektrowni wiatrowej, w którym wahania generowanej mocy są ograniczane za pomocą sterowania generowaną mocą bierną. Generator elektrowni wiatrowej sprzężony jest z falownikiem, który może sterować mocą bierną. Aparatura sterująca oblicza moc bierną na podstawie wartości rezystancji przyłączonej sieci, wartości reaktancji tej sieci, generowanej mocy oraz możliwości regulacji napięcia sąsiadującej podstacji przesyłowej i steruje generowaną mocą albo mocą bierną.

Ze względu na to, że wiele rodzajów urządzeń elektrycznych, na przykład komputery, silniki elektryczne itp., które są dołączone do sieci, nie są dostosowane do wahań częstotliwości sieci ani do gwałtownych zmian w sieci, bo mogą one spowodować uszkodzenie maszyn elektrycznych, a nawet ich zniszczenie, istnieje potrzeba ograniczania wahań częstotliwości sieci.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie opisanych wyżej problemów, w sytuacji, gdy elektrownie wiatrowe są podłączone do sieci elektrycznej i ograniczanie wahań częstotliwości sieci.

Według wynalazku cel ten osiągnięto za pomocą sposobu sterowania pracą elektrowni wiatrowej posiadającej generator napędzany wirnikiem dostarczający moc elektryczną do sieci elektrycznej, obejmującego następujące etapy: dostarcza się prąd przemienny do sieci w celu zasilania jej mocą elektryczną, mierzy się częstotliwość sieci za pomocą urządzenia regulacyjnego, przy czym sposób charakteryzuje się tym, że moc dostarczaną przez generator prądu elektrycznego do sieci steruje się za pomocą falownika w zależności od częstotliwości sieci tak, że gdy częstotliwość sieci przewyższy uprzednio określoną wartość niezwłocznie redukuje się dostarczaną moc elektryczną.

Korzystnie moc mechaniczną instalacji wiatrowej redukuje się za pomocą ustawiania przestawnych łopat wirnika na wiatr.

Jeżeli częstotliwość sieci przekroczy częstotliwość odniesienia o uprzednio założoną wartość, korzystnie nie dostarcza się mocy do sieci.

Według wynalazku elektrownia wiatrowa do produkcji mocy elektrycznej i dostarczania jej do sieci elektrycznej, zawierająca generator napędzany wirnikiem dla dostarczania mocy elektrycznej do sieci, falownik dostarczający do sieci elektrycznej prąd przemienny, urządzenie regulacyjne do mierzenia częstotliwości sieci zawierające mikroprocesor, charakteryzuje się tym, że falownik jest sprzężony z mikroprocesorem i jest przystosowany do redukcji dostarczanej mocy, gdy częstotliwość mierzona przez urządzenie regulacyjne przekracza uprzednio ustaloną wartość.

Tak więc według wynalazku, jeśli elektrownie wiatrowe działają w słabych sieciach, ich moc mechaniczna i elektryczna powinna być regulowana w zależności od rosnącej częstotliwości sieci. Ma to na celu uniknięcie zwiększenia albo zmniejszenia częstotliwości sieci.

Wynalazek wyjaśniono poniżej w przykładzie wykonania, za pomocą rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia wykres częstotliwości i mocy w funkcji czasu w elektrowni wiatrowej. fig. 2 przedstawia widok z boku elektrowni wiatrowej, fig. 3 przedstawia schemat blokowy układu falownika elektrowni wiatrowej, sterowanego przez mikroprocesor,

PL 206 323 B1 fig. 4 przedstawia urządzenie regulacyjne elektrowni wiatrowej, fig. 5 przedstawia sprzężenie elektrowni wiatrowej z siecią elektryczną, a fig. 6 przedstawia układ alternatywny wobec fig. 3.

Fig, 1 ilustruje efekt sterowania, gdy moc wyjściowa P elektrowni wiatrowej jest zmniejszana w zależności od częstotliwości f sieci. Wartość 100% reprezentuje w związku z tym częstotliwość nominalną (50 Hz, 60 Hz) sieci elektrycznej. Wartość 100,6% i 102% są odpowiednio większymi wartościami częstotliwości sieci f.

Moc elektryczna elektrowni wiatrowej przykładowo nie jest jeszcze zmniejszana po zwiększeniu częstotliwości sieci o 0,6% (to znaczy do 100,6%). Jeżeli jednak częstotliwość sieci rośnie jeszcze dalej, wówczas moc elektryczna elektrowni wiatrowej jest zmniejszana. W korzystnym przykładzie wykonania, przy zwiększeniu częstotliwości sieci do 102%, moc elektrowni wiatrowej jest zmniejszana do wartości zerowej.

Fig. 3 przedstawia schemat blokowy przykładu wykonania sterowanego przez mikroprocesor układu falownika elektrowni wiatrowej, realizującego powyższy sposób. Wirnik takiej elektrowni wiatrowej ma przestawne łopaty wirnika (regulacja skoku łopat wirnika), tak że może być zmniejszana moc mechaniczna elektrowni wiatrowej. Jeżeli przykładowo kąt natarcia łopat wirnika względem wiatru jest regulowany, wówczas siłę działającą na łopaty wirnika można również zmniejszać do żądanej wartości. Jak pokazano na fig. 3 prąd przemienny z generatora prądu elektrycznego (nie pokazano), który jest dołączony do wirnika posiadającego łopaty, jest prostowany za pomocą prostownika 2 i wygładzany za pomocą kondensatora 3. Falownik 4 przetwarza napięcie prądu stałego na napięcie prądu przemiennego oddawanego następnie do sieci Li, L₂, L₃. Częstotliwość tego prądu wyjściowego jest zadana przez sieć. Urządzenie regulacyjne 5 zawierające mikroprocesor, mierzy częstotliwość sieci i steruje łącznikami mocy falownika tak, aby częstotliwość wyjściowa odpowiadała częstotliwości sieci. Jeżeli, jak opisano powyżej, częstotliwość sieci rośnie, wówczas moc elektryczna jest zmniejszana, jak pokazano na fig. 1.

Fig. 4 przedstawia istotne elementy składowe urządzenia sterowania-regulacji w widoku nieco innym niż na fig. 3. Układ sterowania i regulacji ma prostownik, w którym napięcie przemienne wytworzone przez generator prądu elektrycznego zostaje wyprostowane. Falownik dołączony do prostownika przetwarza napięcie prądu stałego, które zostało najpierw wyprostowane w obwodzie pośrednim, w napięcie przemienne, które jest wprowadzane w postaci trójfazowego napięcia przemiennego do sieci poprzez linie L₁, L₂ i L₃. Taki falownik jest sterowany za pomocą mikrokomputera, który jest częścią całego urządzenia regulacyjnego. W tym celu mikroprocesor jest sprzężony z falownikiem. Parametrami wejściowymi regulacji napięcia, przy którym moc elektryczna jest wprowadzana z elektrowni wiatrowej 8 do sieci, są chwilowe napięcie sieci, częstotliwość f sieci, moc elektryczna P generatora prądu elektrycznego, współczynnik mocy biernej cos φ oraz gradient mocy dP/dt. Mikroprocesor realizuje, według wynalazku, regulację napięcia, które ma być dostarczane do sieci z wymaganą częstotliwością równą częstotliwości sieci.

Fig. 5 przedstawia sprzężenie elektrowni wiatrowej z siecią elektryczną, przy czym energia elektryczna wytworzona przez elektrownię wiatrową jest podawana do sieci w punkcie 21 wprowadzania do sieci 6. Do sieci elektrycznej dołączonych jest wielu odbiorców, których w przedstawionym przykładzie pokazano schematycznie jako domy.

Fig. 6 przestawia urządzenie regulacyjne według wynalazku. Przedstawiony schematycznie wirnik 7 elektrowni wiatrowej jest sprzężony z generatorem G prądu elektrycznego, który daje moc elektryczną zależną od prędkości wiatru, a zatem od siły wiatru. Napięcie przemienne wytwarzane przez generator G prądu elektrycznego jest najpierw prostowane, a następnie przetwarzane za pomocą falownika na napięcie przemienne, które ma częstotliwość odpowiadającą częstotliwości sieci. Napięcie sieci jest mierzone w punkcie doprowadzenia do sieci pomocą czujnika częstotliwości sieci. Gdy częstotliwość sieci przewyższy wartość nominalną - patrz fig. 1 - moc elektryczna oddawana jest zmniejszana w celu przeciwdziałania dalszemu wzrostowi częstotliwości sieci. Częstotliwość sieci jest regulowana, za pomocą urządzenia regulacyjnego, do osiągnięcia żądanej wartości częstotliwości sieci lub przynajmniej uniemożliwiany jest dalszy jej wzrost.

W ten sposób można uniknąć lub znacznie zmniejszyć wahania częstotliwości sieci, przy oddawaniu do sieci sterowanej w ten sposób mocy wytwarzanej przez elektrownię wiatrową.

Claims

1. Sposób sterowania pracą elektrowni wiatrowej posiadającej generator napędzany wirnikiem dostarczający moc elektryczną do sieci elektrycznej, obejmujący następujące etapy: dostarcza się prąd przemienny do sieci w celu zasilania jej mocą elektryczną, mierzy się częstotliwość sieci za pomocą urządzenia regulacyjnego, znamienny tym, że moc dostarczaną przez generator prądu elektrycznego do sieci steruje się za pomocą falownika w zależności od częstotliwości sieci tak, że gdy częstotliwość sieci przewyższy uprzednio określoną wartość niezwłocznie redukuje się dostarczaną moc elektryczną.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że moc mechaniczną instalacji wiatrowej redukuje się za pomocą ustawiania przestawnych łopat wirnika na wiatr.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że nie dostarcza się mocy do sieci, jeżeli częstotliwość sieci przekroczy uprzednio określoną wartość o założoną wartość.

4. Elektrownia wiatrowa do produkcji mocy elektrycznej i dostarczania jej do sieci elektrycznej, zawierająca generator napędzany wirnikiem dla dostarczania mocy elektrycznej do sieci, falownik dostarczający do sieci elektrycznej prąd przemienny, urządzenie regulacyjne do mierzenia częstotliwości sieci zawierające mikroprocesor, znamienna tym, że falownik jest sprzężony z mikroprocesorem i jest przystosowany do redukcji dostarczanej mocy, gdy częstotliwość mierzona przez urządzenie regulacyjne przekracza uprzednio ustaloną wartość.