PL210291B1 - Sposób sterowania pracą wyspowej sieci elektrycznej i wyspowa sieć elektryczna - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek ten dotyczy sposobu sterowania pracą wyspowej sieci elektrycznej oraz wyspowej sieci elektrycznej stosującej ten sposób, przy czym wyspowa sieć elektryczna posiada co najmniej jeden generator elektryczny. Sieć elektryczna sprzężona jest z pierwszym generatorem, ponadto zastosowany jest drugi generator, który może być sprzężony z silnikiem spalinowym. W takich sieciach wyspowych generator elektryczny, który jest dołączony do pierwszego generatora elektrycznego, jest często generatorem korzystającym z odnawialnego źródła energii, np. elektrownią wiatrową, elektrownią wodną itd.

Takie sieci wyspowe są ogólnie znane i są stosowane zwłaszcza do dostarczania prądu elektrycznego w obszarach, które nie są dołączone do centralnej sieci energetycznej, ale w których dostępne są odnawialne źródła energii, takie jak wiatr i/lub słońce i/lub energia wody itp. Obszary takie mogą być na przykład wyspami, albo odległymi lub trudno dostępnymi obszarami o szczególnych cechach, jeśli chodzi o ich wielkość, usytuowanie i/lub warunki pogodowe. Jednakże do takich obszarów również trzeba dostarczać energię elektryczną, wodę i ciepło. Energia potrzebna do takich systemów, przynajmniej energia elektryczna, jest wytwarzana i rozprowadzana przez sieć wyspową.

Do niezawodnego działania nowoczesnych urządzeń elektrycznych wymagane jest utrzymywanie stosunkowo dokładnie granicznych wartości wahań napięcia i/lub częstotliwości w sieci wyspowej. Aby można było dotrzymać tych wartości granicznych, stosuje się między innymi hybrydowe instalacje wiatrowe z silnikiem Diesla (tak zwane systemy wind-diesel), w których jako główne źródło energii wykorzystywana jest elektrownia wiatrowa. Prąd przemienny wytworzony przez elektrownię wiatrową jest prostowany, a następnie przetwarzany za pomocą falownika w prąd przemienny o wymaganej częstotliwości. W ten sposób wytwarza się w sieci prąd elektryczny o częstotliwości niezależnej od prędkości obrotowej generatora elektrowni wiatrowej, jak również od jego częstotliwości.

Częstotliwość prądu elektrycznego w sieci jest zatem określona przez falownik. Możliwe są tu dwie różne odmiany. Pierwszą odmianą jest tak zwany falownik o komutacji wewnętrznej, który sam utrzymuje stałą częstotliwość wytwarzanej do sieci mocy. Jednakże takie falowniki o komutacji wewnętrznej wymagają dużych nakładów technicznych i są odpowiednio droższe. Odmianą alternatywną wobec falownika o komutacji wewnętrznej jest falownik komutowany siecią, który synchronizuje częstotliwość napięcia wyjściowego z istniejącą siecią. Takie falowniki są znacznie bardziej opłacalne niż falowniki o komutacji wewnętrznej, ale zawsze wymagają istnienia sieci, z którą mogłyby być synchronizowane. Dlatego, w przypadku stosowania falownika komutowanego siecią, zawsze musi być dostępny generator sieciowy, który dostarcza parametrów sterowania niezbędnych do sterowania falownika z sieci. Takim generatorem sieciowym jest przykładowo generator synchroniczny, który jest napędzany w znanych sieciach wyspowych przez silnik spalinowy (wysokoprężny). Oznacza to, że silnik spalinowy musi ciągle pracować, by napędzać generator synchroniczny jako generator sieciowy. Jest to również niekorzystne z punktu widzenia wymagań konserwacyjnych, zużycia paliwa i wypuszczania spalin do atmosfery, ponieważ nawet jeśli silnik spalinowy musi dostarczać tylko część swej mocy znamionowej do napędzania generatora, działającego jako generator sieciowy, moc ta często wynosi tylko 3-5 kW, a zużycie paliwa nie jest małe, lecz wynosi kilka litrów paliwa na godzinę.

Innym problemem związanym ze znanymi sieciami wyspowymi jest to, że trzeba zastosować tak zwane obciążenia rezerwowe, które przyjmują nadmiar energii elektrycznej wytwarzanej przez główny generator elektryczny, tak że ten główny generator elektryczny nie jest ustawiony na działanie bez obciążenia, gdy obciążenia są wyłączone, co z kolei mogłoby doprowadzić do mechanicznego uszkodzenia głównego generatora elektrycznego na skutek zbyt dużej prędkości obrotowej. Jest to szczególnie problematyczne w przypadku elektrowni wiatrowych jako głównych generatorów elektrycznych.

Inne rozwiązanie przedstawiono w opisie patentowym niemieckiego zgłoszenia DE 4232516 A1 dotyczącym autonomicznego modułowego systemu zasiania energią. Celem wynalazku będącego przedmiotem tego zgłoszenia jest projekt autonomicznego modułowego sytemu wiatrowo-fotowoltaiczno-akumulatorowo-dieslowskiego, który zasila sieć zastępując znane generatory synchroniczne. Rozwiązanie według tego wynalazku opiera się na znanych i dobrze ugruntowanych częściach składowych. Z tego względu, zamiast falownika sterowanego siecią, zaproponowano zastosowanie zespołu nieprzerywanego zasilania mocy.

Według wynalazku sposób sterowania pracą energetycznej sieci wyspowej charakteryzuje się tym, że na szynie, doprowadzającej do sieci wytworzoną moc, mierzy się zapotrzebowanie mocy,

PL 210 291 B1 przy czym z pośrednim obwodem prądu stałego współpracuje co najmniej jedno pośrednie urządzenie magazynowania energii i w sytuacji, kiedy moc pierwszego generatora elektrowni wiatrowej jest większa niż moc wymagana przez obciążenie sieci, nadmiarową energię elektryczną z pierwszego generatora elektrowni wiatrowej dostarcza się w pierwszej kolejności do pośredniego urządzenia magazynującego energię, a w sytuacji, gdy zapotrzebowanie sieci jest większe niż moc pierwszego generatora elektrowni wiatrowej, do zasilania sieci dodatkową energią, wykorzystuje się w pierwszej kolejności pośrednie urządzenie magazynowania energii.

W celu ł adowania poś rednich urz ą dzeń magazynują cych energię z odnawialnych ź ródeł wytwarza się korzystnie więcej energii niż wynosi zapotrzebowanie sieci. W celu przezwyciężenia niestałości lub odchyleń częstotliwości w sieci od wymaganej wartości, stosuje się korzystnie takie pośrednie urządzenia magazynowania energii elektrycznej, które nadają się do częstego i szybkiego ładowania lub rozładowywania bez znacznych nieodwracalnych strat pojemności. Do wspierania sieci, kiedy zapotrzebowanie mocy ze strony sieci nie może być przez odnawialne źródła energii zaspokojone w cał o ś ci, stosuje się poś rednie urzą dzenia magazynują ce w postaci baterii akumulatorów.

Według wynalazku sieć wyspowa stosująca powyższy sposób z co najmniej jednym pierwszym generatorem elektrycznym, który wykorzystuje odnawialne źródło energii, korzystnie energię wiatru w elektrowni wiatrowej i jest generatorem synchronicznym, a ponadto zastosowany jest drugi generator nadający się do sprzężenia z silnikiem spalinowym, przy czym elektrownia wiatrowa nadaje się do sterowania jej prędkości obrotowej i kąta natarcia łopat, zaś pierwszy generator jest sprzężony z przetwornicą zawierającą co najmniej jeden pierwszy prostownik, pośredni obwód prądu stałego oraz falownik, charakteryzuje się tym, że do szyny doprowadzającej wytworzony prąd elektryczny do sieci jest dołączone urządzenie mierzące zapotrzebowanie mocy ze strony sieci, przy czym z pośrednim obwodem prądu stałego jest sprzężone co najmniej jedno pośrednie urządzenie magazynowania energii.

Korzystnie jest, gdy sieć ma co najmniej jeden dołączony do pośredniego obwodu prądu stałego element elektryczny dostarczający prąd stały. Pośrednim urządzeniem magazynowania energii jest korzystnie element fotowoltaiczny i/lub urządzenie magazynujące energię mechaniczną i/lub urządzenie magazynujące energię elektrochemiczną i/lub kondensator i/lub urządzenie magazynujące energię chemiczną. Korzystnie jest również, gdy urządzeniem magazynującym energię mechaniczną jest koło zamachowe przeznaczone do sprzężenia z generatorem drugim lub trzecim.

Sieć posiada korzystnie kilka silników spalinowych, z których każdy jest przeznaczony do sprzężenia z synchronicznym generatorem drugim i/albo trzecim. Korzystnie sieć posiada zespół sterowania do sterowania siecią wyspową, jak również przetwornicę obniżająco-podwyższającą pomiędzy elementem fotowoltaicznym, a pośrednim obwodem prądu stałego. Korzystnie jest, gdy pomiędzy elementem magazynującym energię elektryczną, a pośrednim obwodem prądu stałego, sieć zawiera obwód ładowania/rozładowywania.

Korzystnie wszystkie generatory siłowni wiatrowej czy inne odnawialne źródła energii oraz pośrednie urządzenia magazynujące są połączone ze wspólnym pośrednim obwodem prądu stałego. Falownik jest najkorzystniej komutowany siecią.

Korzystnie jest, gdy energia do obsługiwania sprzęgła elektromagnetycznego pochodzi z urządzenia magazynowania energii elektrycznej i/lub pierwszego generatora elektrowni wiatrowej.

Wynalazek oparty jest na spostrzeżeniu, że drugi generator, który ma pełnić rolę generatora sieciowego, może być również napędzany przez energię elektryczną z głównego generatora elektrycznego (elektrowni wiatrowej). W takiej sytuacji, silnik spalinowy jest wyłączony i odłączony od drugiego generatora. Ten drugi generator nie pracuje już jako generator, ale jako silnik, przy czym energia elektryczna potrzebna do takiego działania jest doprowadzana przez główny generator elektryczny lub jego generator. Jeżeli sprzęgło pomiędzy drugim generatorem a silnikiem spalinowym jest sprzęgłem elektromagnetycznym, wówczas sprzęgło takie może zostać uruchomione przez doprowadzenie prądu elektrycznego z głównego generatora elektrycznego lub jego generatora. Jeżeli prąd elektryczny jest odłączony od sprzęgła, wówczas sprzęgło jest rozłączone. Drugi generator jest wówczas zasilany prądem z głównego generatora elektrycznego i pracuje jako silnik. Jeżeli generator ma pracować jako generator, wówczas można uruchomić silnik spalinowy i połączyć go za pomocą elektrycznie sterowanego sprzęgła z drugim generatorem, tak że ten drugi generator może dostarczać dodatkową energię do energetycznej sieci wyspowej pracując jako generator.

Zastosowanie całkowicie sterowanej elektrowni wiatrowej umożliwia wyeliminowanie obciążeń rezerwowych, ponieważ elektrownia wiatrowa dzięki swej pełnej możliwości sterowania może wytwarzać

PL 210 291 B1 żądaną moc przy zmiennej prędkości obrotowej i zmiennym ustawieniu łopat, tak że nie jest już potrzebne pozbywanie się nadmiaru energii, gdyż elektrownia wiatrowa wytwarza dokładnie taką moc, jaka jest potrzebna. Zatem, ponieważ elektrownia wiatrowa wytwarza tylko taką moc, jaka jest potrzebna w sieci (albo jaka jest potrzebna do naładowania pośrednich urządzeń magazynujących), nadmiar energii nie musi być zużywany bezużytecznie, a całkowita sprawność elektrowni wiatrowej, jak również całej sieci wyspowej staje się znacznie lepsza, niż przy stosowaniu obciążeń rezerwowych.

W jednym korzystnym przykładzie realizacji wynalazku elektrownia wiatrowa zawiera generator synchroniczny, który jest dołączony za przetwornicą. Przetwornica ta złożona jest z prostownika, pośredniego obwodu prądu stałego i z falownika. Jeżeli w sieci wyspowej zastosowane jest inne źródło energii, dostarczające napięcie stałe (prąd stały), np. element fotowoltaiczny, wówczas korzystnie takie inne główne źródła energii, jak elementy fotowoltaiczne, są dołączone do pośredniego obwodu prądu stałego przetwornicy, tak że energia z tego dodatkowego źródła wykorzystującego energię odnawialną, może być podawana na pośredni obwód prądu stałego. Konstrukcja taka może zwiększyć wytwarzaną moc dostępną z pierwszego głównego generatora elektrycznego.

Aby wyrównywać wahania dostępnej mocy i/lub pokrywać zwiększone zapotrzebowanie, tak by można było wykorzystywać dostępną energię, która w danej chwili nie jest potrzebna, korzystnie stosuje się pośrednie urządzenia magazynujące, które magazynują energię elektryczną i mogą być szybko rozładowane na żądanie. Takimi urządzeniami magazynującymi mogą być przykładowo elektrochemiczne urządzenia magazynujące, takie jak akumulatory, ale również kondensatory, lub też chemiczne urządzenia magazynujące, takie jak urządzenia do magazynowania wodoru, które magazynują wodór wytworzony przez elektrolizę przy wykorzystaniu nadmiaru mocy elektrycznej. W celu wykorzystania ich energii elektrycznej takie urządzenia magazynujące są również dołączone bezpośrednio lub poprzez odpowiednie obwody ładowania/rozładowania do pośredniego obwodu prądu stałego w przetwornicy.

Inną formą magazynowania energii jest jej przetworzenie w energię kinetyczną, która jest magazynowana w kole zamachowym. To koło zamachowe jest sprzężone z drugim generatorem synchronicznym w korzystnym ulepszeniu wynalazku i umożliwia również wykorzystywanie zmagazynowanej energii do napędzania generatora sieciowego.

W sytuacji, kiedy zuż ycie energii w sieci wyspowej jest mniejsze ni ż moc wytwarzana przez główny generator elektryczny, np. przez elektrownię wiatrową, wszystkie urządzenia magazynujące mogą być zasilane prądem elektrycznym. Przykładowo, jeżeli głównym generatorem elektrycznym jest elektrownia wiatrowa o znamionowej mocy 1,5 MW, albo też zestaw złożony z kilku elektrowni wiatrowych o znamionowej mocy 10 MW, a wiatry są takie, że główny generator elektryczny może pracować w trybie normalnym, chociaż pobór mocy sieci wyspowej jest wyraź nie mniejszy od znamionowej mocy głównego generatora elektrycznego, wówczas (zwłaszcza nocą i podczas niskiego zużycia energii w sieci wyspowej) gł ówny generator jest sterowany tak, ż e wszystkie urzą dzenia magazynują ce energię są ładowane. W ten sposób urządzenia magazynujące energię mogą być uruchamiane tylko tymczasowo w pewnych okolicznościach, kiedy pobór mocy sieci wyspowej jest większy niż moc wytwarzana przez główny generator elektryczny.

W korzystnym ulepszeniu wynalazku, wszystkie generatory elektryczne i poś rednie urzą dzenia magazynujące, za wyjątkiem członów energetycznych dołączonych do drugiego generatora (silnik spalinowy, koło zamachowe) są dołączone do wspólnego pośredniego obwodu prądu stałego, który jest wykonany jako szyna i jest zakończony indywidualnym falownikiem komutowanym przez sieć. Zastosowanie indywidualnego falownika komutowanego przez sieć, zasilanego z pośredniego obwodu prądu stałego, stanowi rozwiązanie bardzo opłacalne.

Ponadto korzystne jest, kiedy zastosowane są inne (redundancyjne) silniki spalinowe i trzecie generatory (np. generatory synchroniczne), które mogą być sprzężone z tymi silnikami, aby wytwarzać prąd elektryczny przez uruchomienie innych (redundancyjnych) systemów wytwarzających prąd, kiedy jest potrzebna większa moc niż jest dostępna z generatorów elektrycznych wykorzystujących odnawialną energię i z urządzeń magazynujących energię.

Zwykle częstotliwość prądu w sieci można wykorzystać w celu określenia, czy dostępna moc odpowiada zapotrzebowaniu. Przy nadmiernej mocy częstotliwość prądu w sieci rośnie, natomiast maleje przy zbyt małej mocy. Jednakże takie odchylenia częstotliwości występują z opóźnieniem, a korygowanie takich odchyleń częstotliwości staje się coraz trudniejsze wraz ze wzrostem stopnia skomplikowania sieci.

PL 210 291 B1

Aby umożliwić szybkie dostosowanie do mocy, do szyny dołączone jest urządzenie mierzące pobór mocy w sieci. Dzięki temu można rozpoznać pobór mocy lub nadmierną moc zasilania i przeprowadzić natychmiast korekcję, zanim w ogóle pojawią się wahania częstotliwości prądu w sieci.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest pokazany na rysunku, na którym kolejne figury przedstawiają:

fig. 1 - schemat blokowy sieci wyspowej według wynalazku;

fig. 2 - schematycznie odmianę wynalazku przedstawionego na fig. 1; a fig. 3 - korzystny przykład realizacji sieci wyspowej według wynalazku.

Na fig. 1 pokazano elektrownię wiatrową z przetwornicą złożoną z prostownika 20, za pomocą którego elektrownia wiatrowa jest dołączona do pośredniego obwodu 28 prądu stałego, jak również z falownikiem 24 dołączonym do wyjścia pośredniego obwodu 28 pr ądu stałego.

Równolegle do wyjścia falownika 24 dołączony jest synchroniczny generator drugi 32, który jest z kolei poprzez sprzęgło elektromagnetyczne 34 połączony z silnikiem spalinowym 30. Przewody wyjściowe falownika 24 i synchronicznego generatora drugiego 32 dostarczają potrzebną energię do (nieprzedstawionych) odbiorników.

W ten sposób elektrownia wiatrowa 10 wytwarza energię podawaną stosownie do obciążenia. Energia wytworzona przez elektrownię wiatrową 10 jest prostowana za pomocą prostownika 20 i podawana na pośredni obwód 28 prądu stałego.

Falownik 24 wytwarza prąd przemienny z doprowadzonego do niego prądu stałego i podaje ten prąd przemienny do sieci wyspowej. Ponieważ falownik 24 ze względu na koszt jest korzystnie skonstruowany jako falownik komutowany siecią, zastosowano generator sieciowy, z którym falownik 24 może być synchronizowany.

Ten generator sieciowy jest synchronicznym generatorem drugim 32. Przy odłączonym silniku spalinowym 30 pracuje on w trybie silnikowym, przy czym energią napędzającą jest energia elektryczna z elektrowni wiatrowej 10, przy czym działa jako generator sieciowy. Ta energia napędzająca synchroniczny generator drugi 32 musi również być generowana przez elektrownię wiatrową 10, podobnie jak straty w prostowniku 20 i falowniku 24.

Oprócz działania w charakterze generatora sieciowego, synchroniczny generator drugi 32 realizuje również inne zadania, takie jak generowanie energii biernej w sieci, zasilanie prądów zwarciowych, działanie w charakterze filtru migotania i regulacja napięcia.

Jeżeli obciążenia są wyłączone, a zatem pobór energii maleje, wówczas elektrownia wiatrowa 10 jest sterowana tak, że wytwarza ona odpowiednio mniej energii, dzięki czemu można wyeliminować stosowanie obciążeń rezerwowych.

Jeżeli obciążenie wzrasta tak silnie, że moc nie może już być pokrywana tylko przez elektrownię wiatrową, wówczas może zostać uruchomiony silnik spalinowy 30 i napięcie zostaje podane na sprzęgło elektromagnetyczne 34. W ten sposób sprzęgło elektromagnetyczne 34 tworzy połączenie mechaniczne pomiędzy silnikiem spalinowym 30 a synchronicznym generatorem drugim 32 i generator ten (oraz generator sieciowy) dostarcza żądaną energię (działając teraz jak generator).

Przez odpowiednie zwymiarowanie elektrowni wiatrowej 10 można uzyskać to, że przez elektrownię wiatrową jest dostarczana przeciętnie wystarczająca energia zasilania sieci. Dzięki temu wykorzystanie silnika spalinowego 30 i wynikowe zużycie paliwa są zmniejszone do minimum.

Na fig. 2 przedstawiono odmianę wyspowej sieci z fig. 1. Konstrukcja ta zasadniczo jest zgodna z rozwiązaniem pokazanym na fig. 1. Różnica polega na tym, ż e nie ma silnika spalinowego 30 współpracującego z synchronicznym generatorem drugim 32, który działa jako generator sieciowy. Silnik spalinowy 30 jest dołączony do innego, (synchronicznego) generatora trzeciego 36, który można uruchomić w razie potrzeby. Synchroniczny generator drugi 32 działa zatem ciągle w trybie silnikowym, jako generator sieciowy, generator mocy biernej, źródło prądów zwarciowych, filtr migotania i regulator napięcia.

Na fig. 3 przedstawiono inny korzystny przykład realizacji sieci wyspowej. Przedstawiono tu trzy elektrownie wiatrowe 10, które tworzą przykładowo zespół elektrowni wiatrowych z pierwszymi (synchronicznymi) generatorami, z których każdy jest dołączony do prostownika 20. Prostowniki 20 są dołączone równolegle do wyjścia i podają energię wytworzoną przez elektrownię wiatrową 10 na pośredni obwód 28 napięcia stałego.

Ponadto pokazano trzy fotowoltaiczne elementy 12, z których każdy jest dołączony do przetwornicy obniżająco-podwyższającej 22. Wyjścia przetwornic obniżająco-podwyższających 22 są dołączone równolegle do pośredniego obwodu 28 prądu stałego.

PL 210 291 B1

Ponadto pokazano baterię akumulatorów 14, która symbolizuje pośrednie urządzenie magazynujące. Oprócz elektrochemicznego urządzenia magazynującego, takiego jak akumulator 14, takim pośrednim urządzeniem magazynującym może być urządzenie chemiczne, jak również wodorowe urządzenie magazynujące (nie pokazano). To wodorowe urządzenie magazynujące może być ładowane wodorem, otrzymywanym przykładowo przez elektrolizę.

Ponadto pokazano zespół kondensatorów 18, który umożliwia wykorzystywanie kondensatorów jako urządzeń pośredniego magazynowania. Kondensatorami tymi mogą być tak zwane kondensatory Ultracap z firmy Siemens, które charakteryzują się małymi stratami oraz dużą pojemnością magazynowania.

Zespół akumulatorów 14 i zespół kondensatorów 18 (oba te zespoły mogą być również rozdzielone) są dołączone poprzez obwody 26 ładowania/rozładowania do pośredniego obwodu 28 prądu stałego. Pośredni obwód 28 prądu stałego jest obciążony (pojedynczym) falownikiem 24 (lub wieloma falownikami połączonymi równolegle), przy czym falownik 24 jest korzystnie komutowany z siecią.

Do wyjścia falownika 24 dołączony jest rozdzielacz 40 (ewentualnie z transformatorem), który jest zasilany napięciem sieci z falownika 24. Do wyjścia falownika 24 dołączony jest również synchroniczny generator drugi 32. Ten synchroniczny generator drugi 32 jest generatorem sieciowym, generatorem energii biernej i prądu zwarciowego, filtrem migotania i regulatorem napięcia sieci wyspowej.

Do synchronicznego generatora drugiego 32 dołączone jest koło zamachowe 16. To koło zamachowe 16 jest również pośrednim urządzeniem magazynującym energię, np. kiedy generator sieciowy jest napędzany za pomocą silnika.

Ponadto, silnik spalinowy 30 i sprzęgło elektromagnetyczne 34, które napędzają synchroniczny generator drugi 32 i razem z nim działają jako generator mocy, kiedy dostarczana jest zbyt mała moc z odnawialnych źródeł energii. W ten sposób do sieci wyspowej może być doprowadzana brakująca energia.

Silnik spalinowy 30 współpracujący z synchronicznym generatorem drugim 32 i sprzęgłem elektromagnetycznym 34 jest narysowany linią przerywaną, aby uzmysłowić, że synchroniczny generator drugi 32 może alternatywnie działać w trybie silnikowym (i ewentualnie z kołem zamachowym jako pośrednim urządzeniem magazynującym) jako generator sieciowy, generator energii biernej, źródło prądu zwarciowego, filtr migotania i regulator napięcia.

W szczególności, gdy synchroniczny generator drugi 32 jest stosowany bez silnika spalinowego 30, synchroniczny generator trzeci 36 z silnikiem spalinowym może służyć do wyrównywania dłużej trwających przerw w dostawie energii. Ten synchroniczny generator trzeci 36 może być oddzielony od sieci wyspowej przez urządzenie przełączające 44 w trybie spoczynkowym, aby nie obciążać dodatkowo sieci wyspowej.

Zastosowano też (mikroprocesorowy/komputerowy) zespół sterowania 42, który steruje poszczególnymi częściami składowymi sieci wyspowej i umożliwia automatyczne, zasadniczo, działanie sieci wyspowej.

Przez odpowiednie skonstruowanie poszczególnych części składowych sieci wyspowej elektrownia wiatrowa 10 może średnio dostarczać energię wystarczającą dla odbiorców. Takie zasilanie jest ewentualnie uzupełniane przez elementy fotowoltaiczne.

Jeżeli energia dostarczana przez elektrownię wiatrową 10 i/lub fotowoltaiczne elementy 12 jest mniejsza/większa niż zapotrzebowanie odbiorców, wówczas mogą być wykorzystywane pośrednie urządzenia magazynujące (rozładowywane/ładowane), aby dostarczać brakującą energię (rozładowywanie), albo magazynować (ładowanie) nadmiar energii. Pośrednie urządzenia magazynujące wygładzają zatem, stale występujące wahania zasilania pochodzącego z energii odnawialnej.

Jak długo i jakie wahania mocy mogą być wyrównywane, zależne jest zasadniczo od pojemności pośrednich urządzeń magazynujących. Przy nadmiernym rozbudowaniu pośrednich urządzeń magazynujących czas ten może wynosić od kilku godzin do kilku dni.

Silniki spalinowe 30 oraz synchroniczne generatory drugi 32 lub trzeci 36 muszą być załączane tylko wtedy, jeżeli występują przerwy w zasilaniu przewyższające pojemność pośrednich urządzeń magazynujących.

W powyż szym opisie przykł adów realizacji gł ównym generatorem elektrycznym jest zawsze ten generator, który wykorzystuje źródło energii odnawialnej, takie jak wiatr lub słońce (światło). Jednakże główny generator elektryczny może również działać z innym odnawialnym źródłem energii, np. ze źródłem energii wodnej, albo też może to być generator, który zużywa paliwa kopalne.

PL 210 291 B1

Do sieci wyspowej może być również dołączone nie przedstawione urządzenie do odsalania wody morskiej, tak że wtedy, gdy odbiorcy sieci wyspowej potrzebują znacznie mniejszej mocy, niż główny generator elektryczny może wytworzyć, wówczas nadmiar mocy jest zużywany przez urządzenie do odsalania wody morskiej, to znaczy nadwyżka mocy elektrycznej jest wykorzystywana do wytwarzania wody użytkowej i/lub wody pitnej, którą następnie można magazynować w zbiornikach. Jeżeli czasami pobór energii elektrycznej z sieci wyspowej jest tak duży, że wszystkie generatory elektryczne są zaledwie zdolne dostarczyć tę moc, wówczas działanie urządzenia odsalającego wodę morską sprowadza się do minimum, a ewentualnie nawet całkowicie się je wyłącza. Ponadto urządzenie odsalające wodę morską może być sterowane za pomocą zespołu sterowania 42.

W tym czasie, gdy moc głównego generatora elektrycznego jest tylko częściowo wykorzystywana przez sieć energetyczną, może być również uruchamiana nie pokazana pompa, za pomocą której zwiększa się energię potencjalną wody (lub innej cieczy), tak że w razie potrzeby można również uzyskiwać energię elektryczną z takiego urządzenia magazynującego. Pompa może być również sterowana za pomocą zespołu sterowania 42.

Możliwe jest również połączenie urządzenia odsalającego wodę morską i pompy. Woda użytkowa (woda pitna) wytworzona przez urządzenie odsalające wodę morską jest wówczas pompowana na wyższy poziom, aby później można ją było wykorzystać w razie potrzeby do napędzania generatorów.

Alternatywnie wobec odmian wynalazku opisanych i przedstawionych na fig. 3 można również stosować inne odmiany rozwiązania według wynalazku. Przykładowo moc elektryczna z synchronicznych generatorów drugiego 32 i trzeciego 36 (patrz fig. 3) może być po wyprostowaniu za pomocą prostownika podawana na szynę 28.

Jeżeli moc dostarczana przez główny generator elektryczny elektrowni wiatrowej 10 lub pośrednie urządzenia magazynujące jest za mała lub jest dostarczana w miarę możliwości, uruchamiany jest silnik spalinowy 30, który napędza synchroniczny generator drugi/trzeci 32, 36. Ten silnik spalinowy 30 wytwarza wtedy energię elektryczną w sieci wyspowej w miarę możliwości dla tej sieci wyspowej, ale równocześnie może również ładować pośrednie urządzenie magazynujące, takie jak koło zamachowe 16, a w celu dostarczania energii elektrycznej synchroniczne generatory drugi 32 i trzeci 36 w pośrednim obwodzie 28 prądu stałego mogą również ładować pośrednie urządzenia magazynujące. Rozwiązanie takie ma w szczególności tę zaletę, że silnik spalinowy 30 może pracować korzystnie, mianowicie optymalnie, przy czym ilość wytwarzanych spalin jest również możliwie niewielka, a prędkość obrotowa jest w zakresie optymalnym, tak że zuż ycie silnika spalinowego 30 mieści się w najlepszym moż liwym przedziale. Przy takim dział aniu, kiedy przykł adowo poś rednie urzą dzenia magazynujące są już naładowane, silnik spalinowy 30 można wyłączyć, a sieć jest potem zasilana w miarę moż liwości energią zmagazynowaną w urządzeniach magazynujących, jeż eli generatory elektrowni wiatrowej 10 i elementy fotowoltaiczne 12 dają za mało mocy. Jeżeli stan naładowania pośrednich urządzeń magazynujących, maleje poniżej wartości krytycznej, wówczas silnik spalinowy 30 jest znów włączany, a energia wytwarzana przez ten silnik spalinowy 30 jest dostarczana do synchronicznych generatorów drugiego 32 i trzeciego 36 i w pośrednim obwodzie 28 prądu stałego pośrednie urządzenia magazynujące są znów ładowane.

W poprzednio opisanych odmianach zwrócono szczególną uwagę na to, że silnik spalinowy 30 może pracować w optymalnym zakresie prędkości obrotowej, co polepsza jego całkowitą eksploatację.

Za synchronicznymi generatorami drugim/trzecim 32, 36 dołączone są konwencjonalne prostowniki (np. prostownik 20), za pomocą których energia elektryczna jest doprowadzana do pośredniego obwodu 28 prądu stałego.

Jako pośrednie urządzenie magazynujące zastosowana jest przykładowo bateria akumulatorów 14. Inną postacią pośredniego urządzenia magazynującego jest zespół kondensatorów 18, np. kondensatorów z firmy Siemens, model Ultracap. Przebieg ładowania, a zwłaszcza przebieg rozładowania poprzednio wspomnianego pośredniego urządzenia magazynującego jest stosunkowo różny i należy to uwzględnić według przedmiotowego wynalazku.

Akumulatory, podobnie jak inne konwencjonalne baterie, charakteryzują się zmniejszaniem pojemności, nawet jeśli jest ono nieznaczne, to jednak nieodwracalnym po każdym cyklu ładowania/rozładowania. Przy bardzo częstych cyklach ładowania/rozładowania w stosunkowo krótkim czasie doprowadza to do znacznego zmniejszenia pojemności, co powoduje konieczność wymiany tego pośredniego urządzenia magazynującego stosunkowo szybko, zależnie od zastosowania.

PL 210 291 B1

Wymieniony wyżej problem nie dotyczy dynamicznie ładowanych pośrednich urządzeń magazynujących, takie jak urządzenie magazynujące z kondensatorami modelu Ultracap lub też urządzenie magazynujące z kołem zamachowym. Jednakże urządzenia magazynujące z kondensatorem modelu Ultracap, podobnie jak urządzenia magazynujące z kołem zamachowym, są znacznie droższe niż konwencjonalna bateria akumulatorów lub inne bateryjne urządzenia magazynujące w przeliczeniu na jedną kilowatogodzinę.

W odróż nieniu od wykorzystywania odnawialnych surowców lub energii słonecznej energię wiatru rzadko kiedy można niezawodnie przewidzieć. Prowadzone są zatem próby wytwarzania możliwie dużej ilości energii ze źródeł odnawialnych oraz, jeżeli energia ta nie może być zużyta, składowania jej w urządzeniach magazynujących o największych możliwych pojemnościach magazynowania, aby, w razie potrzeby, energia ta był a dostę pna i nadawał a się do wykorzystania. Wszystkie urzą dzenia magazynowania energii projektuje się na maksymalne wymiary, by można było pokryć najdłuższe możliwe przerwy w wytwarzaniu prądu przez elektrownię wiatrową.

Inna różnica pomiędzy pośrednimi urządzeniami magazynującymi w rodzaju baterii akumulatorów, a urządzeniami magazynującymi z kondensatorami model Ultracap lub z kołem zamachowym polega na tym, że energia elektryczna z kondensatorów magazynowych z kondensatorami Ultracap i z koł em zamachowym mo ż e być wyprowadzona w bardzo krótkim czasie bez szkód, podczas gdy urządzenia pośredniego magazynowania z baterią akumulatorów nie mają takiej dużej prędkości rozładowania (DE/DT).

Z tego wzglę du jeden aspekt wynalazku według niniejszego zgł oszenia odnosi się również do możliwości stosowania, do różnych celów, pośrednich urządzeń magazynujących różnego rodzaju, w zależności od ich właściwości eksploatacyjnych i kosztów. W świetle poprzednich obserwacji nie wydaje się również sensowne stosowanie pośredniego urządzenia magazynującego typu koła zamachowego lub zespołu kondensatorów Ultracap o maksymalnej pojemności, by pokryć najdłuższą możliwą przerwę w wytwarzaniu prądu przez elektrownię wiatrową, ale te urządzenia magazynujące rzeczywiście mają swoje znaczenie, zwłaszcza ze względu na to, że mogą pokrywać krótkie przerwy w wytwarzaniu energii elektrycznej bez szkody dla tych poś rednich urzą dzeń magazynują cych. Jednakże, jeżeli mają pokrywać zapotrzebowanie w czasie długich przerw w dostawie prądu z elektrowni wiatrowej, jest to bardzo kosztowne.

Nie jest też pozbawione znaczenia stosowanie pośrednich urządzeń magazynujących w rodzaju baterii akumulatorów lub bateryjnych urządzeń magazynujących do regulacji częstotliwości, ponieważ stałe cykle ładowania/rozładowania prowadzą bardzo szybko, mianowicie w ciągu kilku tygodni, a najdalej miesięcy, do nieodwracalnego zmniejszenia pojemnoś ci i konieczności wspomnianej już wymiany takiego urządzenia magazynującego. Jednakże pośrednie urządzenia magazynujące w rodzaju baterii akumulatorów lub innych bateryjnych urządzeń magazynujących mogłyby być stosowane w postaci urządzenia do długoterminowego magazynowania, które przejmuje zasilanie energią podczas przerw rzędu minut (np. 5-15 minut), podczas gdy dynamicznie ładowane pośrednie urządzenia magazynujące z kondensatorami Ultracap i/lub urządzenie magazynujące z kołem zamachowym są wykorzystywane do regulacji częstotliwości, to znaczy do zmniejszania częstotliwości w sieci dostarczającej dodatkową energię i do zwiększania częstotliwości w sieci magazynującej energię.

W konsekwencji różne sposoby wykorzystywania poś rednich urzą dzeń magazynujących różnych rodzajów po jeszcze usprawiedliwionych kosztach w sieci, zwłaszcza w przypadku sieci wyspowej, mogą przyczyniać się do stabilności częstotliwości sieci, ale mogą również niezawodnie mostkować przerwy w wytwarzaniu energii elektrycznej przez generator w czasie kilku minut. W konsekwencji przez różne zastosowanie pośrednich urządzeń magazynujących różnych rodzajów sieć jest zabezpieczona z jednej strony pod względem stabilności częstotliwości, a z drugiej strony pod względem dostarczania wystarczającej energii w czasie rzędu minut, kiedy dostępna energia po stronie generatora jest niewystarczająca.

Ponieważ poszczególne części składowe po stronie generatora są sterowane za pomocą zespołu sterowania 42, który również rozpoznaje, jakiego rodzaju środki wspomagania sieci trzeba zastosować przez odpowiednie sterowanie pośrednimi urządzeniami magazynującymi, można stosować różne rodzaje: po pierwsze pośrednie urządzenie magazynujące do stabilizowania częstotliwości prądu w sieci, a po drugie, inne pośrednie urządzenie magazynujące do mostkowania przerw w dostawie energii z generatora rzędu minut. Równocześnie przez różne używanie pośrednich urządzeń magazynujących różnych rodzajów wobec różnych problemów w sieci, koszty całego urządzenia magazynowania pośredniego można jeszcze zmniejszyć do względnego minimum.

PL 210 291 B1

Dlatego w praktyce korzystne jest, że pośrednie urządzenie magazynujące typu bateria akumulatorów lub bateryjne urządzenie magazynujące zapewnia znacznie większą pojemność ładowania energią niż pośrednie urządzenia magazynujące z kondensatorami Ultracap lub z kołem zamachowym. Przykładowo, pojemność pośredniego urządzenia magazynującego typu akumulator lub urządzenie bateryjne może być znacznie większa niż pięcio - dziesięciokrotna pojemność pośredniego urządzenia magazynującego z kondensatorami Ultracap lub z kołem zamachowym.

Claims (15)

1. Sposób sterowania pracą elektrycznej sieci wyspowej z co najmniej jednym pierwszym generatorem elektrycznym elektrowni wiatrowej będącym generatorem synchronicznym, przy czym zastosowany jest drugi generator nadający się do współpracy z silnikiem spalinowym, zaś elektrownia wiatrowa nadaje się do sterowania jej prędkości obrotowej oraz kąta natarcia łopat wirnika, a pierwszy generator zasila pośredni obwód prądu stałego, za pomocą przetwornicy zawierającej co najmniej jeden pierwszy prostownik, pośredni obwód prądu stałego oraz falownik, znamienny tym, że na szynie, doprowadzającej do sieci wytworzoną moc, mierzy się zapotrzebowanie mocy, przy czym z pośrednim obwodem prądu stałego (28) współpracuje co najmniej jedno pośrednie urządzenie magazynowania energii i w sytuacji, kiedy moc pierwszego generatora elektrowni wiatrowej (10) jest większa niż moc wymagana przez obciążenie sieci, nadmiarową energię elektryczną z pierwszego generatora elektrowni wiatrowej (10) dostarcza się w pierwszej kolejności do pośredniego urządzenia magazynującego energię, a w sytuacji, gdy zapotrzebowanie sieci jest większe niż moc pierwszego generatora elektrowni wiatrowej (10), do zasilania sieci dodatkową energią, wykorzystuje się w pierwszej kolejności pośrednie urządzenie magazynowania energii.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w celu ładowania pośrednich urządzeń magazynujących energię z odnawialnych źródeł wytwarza się więcej energii niż wynosi zapotrzebowanie sieci.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w celu przezwyciężenia niestałości lub odchyleń częstotliwości w sieci od wymaganej wartości stosuje się takie pośrednie urządzenia magazynowania energii elektrycznej, które nadają się do częstego i szybkiego ładowania lub rozładowywania bez znacznych nieodwracalnych strat pojemności.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do wspierania sieci, kiedy zapotrzebowanie mocy ze strony sieci nie może być przez odnawialne źródła energii zaspokojone w całości, stosuje się pośrednie urządzenia magazynujące w postaci baterii akumulatorów (14).

5. Wyspowa sieć elektryczna z co najmniej jednym pierwszym generatorem elektrycznym, który wykorzystuje odnawialne źródło energii, korzystnie energię wiatru w elektrowni wiatrowej i jest generatorem synchronicznym, a ponadto zastosowany jest drugi generator nadający się do sprzężenia z silnikiem spalinowym, przy czym elektrownia wiatrowa nadaje się do sterowania jej prędkości obrotowej i kąta natarcia łopat, zaś pierwszy generator jest sprzężony z przetwornicą zawierającą co najmniej jeden pierwszy prostownik, pośredni obwód prądu stałego oraz falownik, znamienna tym, że do szyny doprowadzającej wytworzony prąd elektryczny do sieci jest dołączone urządzenie mierzące zapotrzebowanie mocy ze strony sieci, przy czym z pośrednim obwodem prądu stałego (28) jest sprzężone co najmniej jedno pośrednie urządzenie magazynowania energii.

6. Sieć według zastrz. 5, znamienna tym, że ma co najmniej jeden dołączony do pośredniego obwodu prądu stałego (28) element elektryczny dostarczający prąd stały.

7. Sieć według zastrz. 5, znamienna tym, że pośrednim urządzeniem magazynowania energii jest element fotowoltaiczny (12) i/lub urządzenie magazynujące energię mechaniczną i/lub urządzenie magazynujące energię elektrochemiczną i/lub kondensator i/lub urządzenie magazynujące energię chemiczną.

8. Sieć według zastrz. 7, znamienna tym, że urządzeniem magazynującym energię mechaniczną jest koło zamachowe (16) przeznaczone do sprzężenia z synchronicznym generatorem drugim (32) lub trzecim (36).

9. Sieć według zastrz. 5, znamienna tym, że posiada kilka silników spalinowych (30), z których każdy jest przeznaczony do sprzężenia z synchronicznym generatorem drugim (32) i/albo trzecim (36).

PL 210 291 B1

10. Sieć według zastrz. 5, znamienna tym, że posiada zespół sterowania (42) do sterowania siecią wyspową.

11. Sieć według zastrz. 7, znamienna tym, że pomiędzy elementem fotowoltaicznym (12), a poś rednim obwodem prą du stał ego (28) posiada przetwornicę obniż ają co-podwyższają c ą (22).

12. Sieć według zastrz. 7, znamienna tym, że pomiędzy elementem magazynującym energię elektryczną a pośrednim obwodem prądu stałego (28) zawiera obwód (26) ładowania/rozładowywania.

13. Sieć według zastrz. 5 albo 6, albo 7, albo 8, albo 9, albo 11, albo 12, znamienna tym, że wszystkie generatory elektrowni wiatrowej (10) czy inne odnawialne źródła energii oraz pośrednie urządzenia magazynujące są połączone ze wspólnym pośrednim obwodem prądu stałego (28).

14. Sieć według zastrz. 5, znamienna tym, że falownik (24) jest komutowany siecią.

15. Sieć według zastrz. 5, znamienna tym, że energia do obsługiwania sprzęgła elektromagnetycznego (34) pochodzi z urządzenia magazynowania energii elektrycznej i/lub pierwszego generatora elektrowni wiatrowej (10).