RU2785256C1 - Wind power plant - Google Patents
Wind power plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2785256C1 RU2785256C1 RU2022108505A RU2022108505A RU2785256C1 RU 2785256 C1 RU2785256 C1 RU 2785256C1 RU 2022108505 A RU2022108505 A RU 2022108505A RU 2022108505 A RU2022108505 A RU 2022108505A RU 2785256 C1 RU2785256 C1 RU 2785256C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wind
- output
- network
- voltage
- power
- Prior art date
Links
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 claims description 24
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 20
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 18
- 230000003068 static Effects 0.000 abstract description 12
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 abstract description 10
- 230000001052 transient Effects 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 7
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 6
- 238000010616 electrical installation Methods 0.000 description 6
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 3
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 2
- 230000002457 bidirectional Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 238000011176 pooling Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000001429 stepping Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэлектрическим станциям и служит для преобразования кинетической энергии ветрового потока в электрическую энергию с помощью ветроэнергетических установок, объединенных в ветряную электростанцию и передачу выработанной электрической энергии в региональную сеть электропитания. The invention relates to the field of wind energy, namely to wind power plants and serves to convert the kinetic energy of the wind flow into electrical energy using wind power plants combined into a wind farm and transfer the generated electrical energy to a regional power supply network.
Заявляемое изобретение направлено на создание новой структуры ветровой электростанции, основанной на принципах построения распределительных устройств электроустановок, обеспечивающей уменьшение массы ветроэнергетических установок, повышение надежности, увеличение эффективности преобразования, сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети.The claimed invention is aimed at creating a new structure of a wind power plant, based on the principles of constructing switchgears for electrical installations, providing a reduction in the mass of wind power plants, increasing reliability, increasing conversion efficiency, maintaining static stability of generation during transients and deep voltage drops in the network.
Активное развитие возобновляемых источников энергии является одним из основных факторов, стимулирующих рост рынка силовой электроники, требующих непрерывного повышения эффективности преобразования, надежности и упрощенной интеграции с внешними электрическими сетями.The active development of renewable energy sources is one of the main factors driving the growth of the power electronics market, requiring continuous improvement in conversion efficiency, reliability and simplified integration with external electrical networks.
Современная ветроэнергетика развивается по двум основным направлениям: Modern wind energy is developing in two main directions:
- ветроэнергетические установки (ВЭУ) малой мощности, предназначенные для обеспечения автономного электроснабжения изолированных объектов, удаленных от электрических сетей;- wind power plants (wind turbines) of low power, designed to provide autonomous power supply to isolated objects remote from electrical networks;
- крупные ветропарки (ВП) и ветряные электростанции (ВЭС), с установками ВЭУ мегаваттного класса, работающие в составе объединенных энергосистем.- large wind farms (WP) and wind power plants (WPP), with megawatt-class wind turbines operating as part of integrated energy systems.
Ветропарки (ВП) и ветряные электростанции (ВЭС) в зависимости от установленной мощности могут занимать значительные площади с расположением отдельных ветроэнергетических установок на разном уровне по вертикали и протяженности от сотен метров до единиц километров. С учетом довольно внушительных единичных мощностей современных ВЭУ (от 1 до 15 МВт), такое положение обуславливает необходимость применения промежуточных ступеней трансформации электрической энергии для снижения уровня электрических потерь. Wind farms (WP) and wind power plants (WPP), depending on the installed capacity, can occupy large areas with the location of individual wind turbines at different vertical levels and lengths from hundreds of meters to units of kilometers. Given the rather impressive unit capacities of modern wind turbines (from 1 to 15 MW), this situation necessitates the use of intermediate stages of electrical energy transformation to reduce the level of electrical losses.
Для передачи генерируемой электрической энергии в сеть электропитания современные ветропарки ВП и сетевые ВЭС снабжаются собственным повышающим разделительным трансформатором, а соединение ветроэнергетических установок между собой и повышающим разделительным трансформатором осуществляется на стороне среднего напряжения в диапазоне от 6 до 35 кВ. Актуальность проблемы заключается в значительной протяженности цепей среднего напряжения (локальная распределительная сеть, коллекторная сеть), к которой подключается большое количество параллельно работающих трансформаторов среднего напряжения, первичные обмотки которых подключены к выходам генераторов или инверторов каждой ВЭУ, в зависимости от структуры объединения мощностей станции. Расстояние между электрически связанными ветроэнергетическими установками и разделительными повышающими трансформаторами может достигать нескольких километров, вследствие чего локальная распределительная сеть (коллекторная сеть) имеет значительную протяженность. Любая неисправность в локальной распределительной сети ведет к аварийному отключению ВП или ВЭС и понижает общую надежность генерации.To transfer the generated electrical energy to the power supply network, modern VP wind farms and network WPPs are equipped with their own step-up isolation transformer, and the connection between the wind power plants and the step-up isolation transformer is carried out on the medium voltage side in the range from 6 to 35 kV. The urgency of the problem lies in the significant length of medium voltage circuits (local distribution network, collector network), to which a large number of medium voltage transformers operating in parallel are connected, the primary windings of which are connected to the outputs of generators or inverters of each wind turbine, depending on the structure of the station's power pooling. The distance between electrically connected wind turbines and isolation step-up transformers can reach several kilometers, as a result of which the local distribution network (collector network) has a significant length. Any malfunction in the local distribution network leads to an emergency shutdown of the VP or WPP and lowers the overall reliability of generation.
Кроме того, возникает сложность реализации следующих основных задач ветряных электростанций: точность и быстрота электромеханического управления скоростью вращения и моментами силы на валах электрогенераторов, все системы управления генерирующих инверторов должны одновременно и быстро формировать управляющие сигналы для независимого управления активной и реактивной мощностью, ограничивать токи короткого замыкания (КЗ), сохранять работоспособность при глубоких просадках напряжения сети (исключая случаи рассинхронизации выходных цепей), стабилизировать напряжение по величине и фазе при переходных процессах, обеспечивая статическую устойчивость, а также осуществлять максимально эффективный отбор мощности (МРРТ). In addition, it becomes difficult to implement the following main tasks of wind farms: accuracy and speed of electromechanical control of the rotation speed and torques on the shafts of electric generators, all control systems of generating inverters must simultaneously and quickly generate control signals for independent control of active and reactive power, limit short-circuit currents (short circuit), maintain operability during deep mains voltage drops (excluding cases of desynchronization of the output circuits), stabilize the voltage in magnitude and phase during transients, ensuring static stability, and also carry out the most efficient power take-off (MPRT).
Значительное количество генерирующих инверторов, работающих через трансформаторы среднего напряжения, выходы которых соединены параллельно, через локальную распределительную сеть (коллекторную сеть) приводит к следующим проблемам: сложность управление активной и реактивной мощностью без взаимного влияния, токи короткого замыкания на ВЭУ с преобразователями находятся в пределах 1,1 – 2,5 номинала и приводят к достаточно сложно реализуемой по условиям надежности и селективности защите без вероятности ложного срабатывания. Короткое замыкание в одном из силовых электронных ключей генерирующего инвертора переходит в межфазное КЗ, при этом мощность токов локальной распределительной сети значительна и по обратной трансформации (через трансформатор среднего напряжения), приводит к полному выходу из строя инвертора, без возможности быстрого восстановления работоспособности. A significant number of generating inverters operating through medium voltage transformers, the outputs of which are connected in parallel, through a local distribution network (collector network) leads to the following problems: it is difficult to control active and reactive power without mutual influence, short-circuit currents at wind turbines with converters are within 1 .1 - 2.5 nominal and lead to protection that is quite difficult to implement in terms of reliability and selectivity without the likelihood of false alarms. A short circuit in one of the power electronic switches of the generating inverter turns into an interphase short circuit, while the power of the currents of the local distribution network is significant and, by reverse transformation (through a medium voltage transformer), leads to a complete failure of the inverter, without the possibility of a quick recovery.
Известен силовой преобразователь (пат. РФ № 2408971 С2, МПК H02P9/04, опубл. 10.01.2011, Бюлл. №1), который может использоваться для сопряжения генератора, вырабатывающего регулируемое напряжение с регулируемой частотой с сетью питания, которая должна обеспечивать номинальное фиксированное напряжение с номинальной фиксированной частотой, содержащий первый активный выпрямитель/инвертор, электрически соединенный со статором генератора и содержащий силовые полупроводниковые вентили; второй активный выпрямитель/инвертор, содержащий силовые полупроводниковые вентили; звено ПТ, включенное между первым активным выпрямителем/инвертором и вторым активным выпрямителем/инвертором; фильтр, подключенный между вторым активным выпрямителем/инвертором и сетью питания, причем фильтр содержит сетевые клеммы, первый контроллер для первого активного выпрямителя/инвертора, и второй контроллер для второго активного выпрямителя/инвертора, причем в первом контроллере используется командный сигнал регулирования напряжения на звене ПТ, определяемый необходимым напряжением на звене ПТ, для управления силовыми полупроводниковыми вентилями первого активного выпрямителя/инвертора для достижения необходимого уровня напряжения на звене ПТ. A power converter is known (RF Pat. No. 2408971 C2, IPC H02P9/04, publ. 10.01.2011, Bull. No. 1), which can be used to interface a generator that generates an adjustable voltage with an adjustable frequency with a power supply network that should provide a nominal fixed voltage with a nominal fixed frequency, containing the first active rectifier/inverter electrically connected to the generator stator and containing power semiconductor valves; a second active rectifier/inverter containing power semiconductor valves; a FET link connected between the first active rectifier/inverter and the second active rectifier/inverter; a filter connected between the second active rectifier/inverter and the power supply network, wherein the filter contains network terminals, the first controller for the first active rectifier/inverter, and the second controller for the second active rectifier/inverter, wherein the first controller uses a voltage regulation command signal on the DC link , determined by the required voltage on the DC link, to control the power semiconductor valves of the first active rectifier/inverter to achieve the required voltage level on the DC link.
Основным недостатком указанного силового преобразователя является значительное число генерирующих устройств, силовых преобразователей, работающих параллельно с сетью электроснабжения или отдельных силовых преобразователей, содержащих повышающие трансформаторы, которые также работают параллельно с сетью электроснабжения или с входом дополнительного повышающего трансформатора, выход которого соединен с сетью электроснабжения, что снижает надежность функционирования. The main disadvantage of this power converter is a significant number of generating devices, power converters operating in parallel with the power supply network or separate power converters containing step-up transformers, which also work in parallel with the power supply network or with the input of an additional step-up transformer, the output of which is connected to the power supply network, which reduces the reliability of operation.
Известна ветровая электростанция с асинхронной машиной двойного питания и способ эксплуатации такой ветровой электростанции (заявка на изобретение РФ № 2010143316/07, МПК H02 P9/00, опубл. 10.05.2012 г., Бюлл. № 13), содержащая асинхронную машину двойного питания, а также преобразователь на стороне сети и преобразователь на стороне генератора, управляемые с помощью средства управления, при этом способ включает следующие операции:A wind power plant with an asynchronous dual-feed machine and a method for operating such a wind power plant are known (application for the invention of the Russian Federation No. 2010143316/07, IPC H02 P9/00, publ. and a mains-side converter and a generator-side converter controlled by the control means, the method including the following steps:
- в нормальном режиме работы преобразователями управляют с помощью средства управления с использованием управляемых переменных для нормального режима работы,- in normal operation, the converters are controlled by means of a control using controlled variables for normal operation,
- в случае сбоя в сети преобразователями управляют с помощью, по меньшей мере, одного управляющего модуля, который через управляемые переменные управляет крутящим моментом и/или активной мощностью и реактивным током и/или реактивной мощностью таким образом, что отключение асинхронной машины от сети будет произведено, только если напряжение в сети упадет ниже заданной характеристики напряжение-время, форма которой определяется множеством заранее выбираемых параметров, содержащихся, по меньшей мере, в одном управляющем модуле, при этом создают, по меньшей мере, одну первую функцию управляемой переменной, которая в случае сбоя обеспечивает получение управляемой переменной для крутящего момента и/или для активной мощности и которая включает, по меньшей мере, две базовые функции, первая из которых определяет уставку для крутящего момента и/или активной мощности после возникновении сбоя, а вторая - уставку для крутящего момента и/или активной мощности по завершении сбоя, причем создают также, по меньшей мере, одну вторую функцию управляемой переменной для реактивного тока и/или реактивной мощности, которая в случае сбоя обеспечивает получение управляемой переменной для управления, по меньшей мере, одним из преобразователей и которая включает, по меньшей мере, две базовые функции, из которых третья базовая функция определяет уставку для реактивной мощности и/или реактивного тока после возникновении сбоя, а четвертая базовая функция - уставку для реактивной мощности и/или реактивного тока по завершении сбоя.- in the event of a mains failure, the converters are controlled by at least one control unit, which, via controlled variables, controls the torque and/or active power and reactive current and/or reactive power in such a way that the asynchronous machine is disconnected from the network , only if the voltage in the network falls below the specified voltage-time characteristic, the shape of which is determined by a set of pre-selected parameters contained in at least one control module, while creating at least one first function of the controlled variable, which in the case failure provides a controlled variable for torque and/or active power and which includes at least two basic functions, the first of which determines the setpoint for torque and/or active power after a fault occurs, and the second - the setpoint for torque and / or active power at the end of the failure, and they also create e at least one second function of the controlled variable for reactive current and/or reactive power, which, in the event of a failure, provides a controlled variable for controlling at least one of the converters and which includes at least two basic functions, of which the third basic function determines the set point for reactive power and/or reactive current after the occurrence of a fault, and the fourth basic function determines the set point for reactive power and/or reactive current after the fault has ended.
К недостаткам данного технического решения следует отнести значительное число генерирующих асинхронных машин двойного питания ветроэнергетических установок, работающих параллельно с сетью электроснабжения, что снижает надежность генерации, а создание рассредоточенного сложного устройства управления крутящими моментами и/или активной мощностью и ее реактивным током и/или реактивной мощностью без взаимного влияния, приводит к достаточно сложно реализуемой по условиям надежности и селективности защите без вероятности ложного срабатывания, что также снижает надежность ветровой электростанции.The disadvantages of this technical solution include a significant number of generating asynchronous dual-fed wind turbines operating in parallel with the power supply network, which reduces the reliability of generation, and the creation of a dispersed complex device for controlling torque and/or active power and its reactive current and/or reactive power without mutual influence, leads to protection that is quite difficult to implement in terms of reliability and selectivity without the likelihood of false alarms, which also reduces the reliability of the wind farm.
Известна ветроэлектрическая станция (пат. РФ № 2221165 С2, МПК F03D9/00, H02J3/38, опубл. 10.01.2004 г., Бюлл. №1), включающая по меньшей мере одну ветроэлектрическую установку, которая содержит ветротурбину, электрический генератор, приводимый в движение этой ветротурбиной, выпрямитель, и электрическую соединительную линию постоянного напряжения между выпрямителем, установленным в ветроэлектрической установке, и инвертором, который со стороны переменного тока соединен с магистральной или распределительной сетью и установлен в станции со стороны сети. Ветроэлектрическая станция содержит преобразователь постоянного тока, который со стороны низкого напряжения соединен с выпрямителем, а со стороны высокого напряжения – с инвертором, и установлен в станции со стороны ветроэлектрической установки.Known wind power station (US Pat. No. 2221165 C2, IPC F03D9/00, H02J3/38, publ. 10.01.2004, Bull. No. 1), including at least one wind power plant, which contains a wind turbine, an electric driven by this wind turbine, a rectifier, and a direct voltage electrical connecting line between the rectifier installed in the wind power plant and the inverter, which is connected on the AC side to the main or distribution network and installed in the station on the network side. The wind power station contains a DC converter, which is connected to the rectifier on the low voltage side, and to the inverter on the high voltage side, and is installed in the station on the side of the wind power plant.
Ветроэлектрическая станция содержит один общий сетевой инвертор повышенной мощности, централизующий генерацию, а также высоковольтную соединительную линию электропередачи постоянного тока (до 400 кВ).The wind power plant contains one common high-power grid inverter centralizing generation, as well as a high-voltage direct current power transmission line (up to 400 kV).
Недостатком известной ветроэлектрической станции является наличие соединения выходов выпрямителей ветроэлектрических установок с преобразователем постоянного тока в постоянный DC/DC со стороны низкого напряжения, формирующего общую коллекторную сеть низкого напряжения постоянного тока значительной протяженности, для суммирования мощностей генераторов ветроэлектрических установок, что приводит к внутренним энергетическим потерям станции и снижает ее эффективность и общую надежность.The disadvantage of the known wind power station is the connection of the outputs of the wind turbine rectifiers with the DC/DC converter from the low voltage side, which forms a common low voltage DC collector network of considerable length, to sum the powers of the generators of the wind turbines, which leads to internal energy losses of the station. and reduces its efficiency and overall reliability.
Недостатками являются также наличие дополнительных ступеней преобразования электрической энергии в преобразователе постоянного тока в постоянный DC/DC, включающем преобразование постоянного тока низкого напряжения в переменный с помощью инвертора, повышение его с помощью трансформатора и последующее выпрямление с помощью выпрямителя. При этом номинальная мощность преобразователя постоянного тока в постоянный DC/DC должна быть равна номинальной мощности сетевого инвертора или суммарной мощности всех ветроэлектрических установок, формирующих ветроэлектрическую станцию. The disadvantages are also the presence of additional stages of converting electrical energy in the DC/DC DC/DC converter, which includes converting low-voltage direct current into alternating current using an inverter, increasing it using a transformer, and then rectifying it using a rectifier. In this case, the rated power of the DC/DC converter must be equal to the rated power of the grid inverter or the total power of all wind turbines that form the wind power plant.
Известна ветровая электростанция с множеством ветроэнергетических установок (пат. РФ № 2459112, МПК F03D9/00, опубл. 20.08.2012, Бюлл. №23), содержащая, размещенную на башне гондолу с ротором, генератором, выпрямителем переменного тока на стороне генератора, выпрямителем переменного тока на стороне сети, и трансформатором, причем упомянутые оба выпрямителя переменного тока на стороне постоянного напряжения электрически связаны друг с другом, а выпрямитель переменного тока на стороне сети связан на стороне переменного напряжения через трансформатор с местом ввода энергии сети, принимающей энергию. Каждый фазный модуль выпрямителя переменного тока на стороне сети содержит верхнюю и нижнюю ветвь вентилей, содержащую по меньшей мере две электрически последовательно включенные двухполюсные подсистемы. Выпрямитель переменного тока на стороне генератора и выпрямитель переменного тока на стороне сети связаны друг с другом на стороне постоянного напряжения посредством кабеля постоянного тока. Таким образом формируется ветровая электростанция, состоящая из множества ветроэнергетических установок, обладающая гибкостью по постоянному току, а гондолы в каждой ветроэнергетической установке имеют меньший собственный вес.Known wind power plant with many wind turbines (US Pat. RF No. 2459112, IPC F03D9/00, publ. 20.08.2012, Bull. No. 23), containing placed on the tower gondola with a rotor, a generator, an AC rectifier on the side of the generator, a rectifier and a transformer, wherein said both DC-side AC rectifiers are electrically connected to each other, and the grid-side AC rectifier is connected on the AC side via a transformer to the power input point of the power-receiving network. Each phase module of the AC rectifier on the network side contains the upper and lower branches of the valves, containing at least two bipolar subsystems electrically connected in series. The alternator on the generator side and the AC on the mains side are connected to each other on the DC voltage side via a DC cable. In this way, a wind farm is formed, consisting of many wind turbines, having DC flexibility, and the nacelles in each wind turbine have a lower dead weight.
Недостатком является низкая надежность, связанная с повышенной массой ветроэнергетических установок, так как часть оборудования, преобразующего электрическую энергию генераторов,
располагается в гондолах, а гибкая структура по постоянному току (электрический кабель) имеет значительную протяженность, т.к. ветроэнергетические установки могут быть разнесены друг от друга на несколько километров, что снижает общую надежность и эффективность.The disadvantage is the low reliability associated with the increased mass of wind turbines, since part of the equipment that converts the electrical energy of generators,
is located in gondolas, and the flexible structure for direct current (electric cable) has a significant length, because Wind turbines can be separated from each other by several kilometers, which reduces the overall reliability and efficiency.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению, является ветряная ферма (пат. РФ № 2627230 С1, МПК F03D9/00, опубл. 04.08.2017, Бюлл. №22), принятая за прототип, содержащая по меньшей мере две ветряные турбины для выработки электроэнергии и общее устройство подачи для подачи выработанной электроэнергии или ее части в сеть электропитания, при этом ветряные турбины и устройство подачи соединены через электрическую сеть напряжения постоянного тока. Для того, чтобы подавать электроэнергию, вырабатываемую соответствующими ветряными турбинами в виде постоянного электрического тока, в общее устройство подачи, сеть постоянного тока имеет напряжение в диапазоне 5-10 кВ, и каждая ветряная турбина содержит генератор для генерирования переменного электрического тока, выпрямитель для выпрямления сгенерированного переменного электрического тока в первый постоянный ток, имеющий первое напряжение постоянного тока, и повышающий преобразователь для повышения первого постоянного напряжения постоянного тока до второго напряжения постоянного тока, которое выше, чем первое напряжение постоянного, при этом сеть напряжения постоянного тока включает в себя шину и множество соединений линий, и при этом второе напряжение постоянного тока подается в сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы.The closest to the claimed invention is a wind farm (RF Pat. No. 2627230 C1, IPC F03D9 / 00, publ. 08/04/2017, Bull. No. 22), taken as a prototype, containing at least two wind turbines for generating electricity and a common a supply device for supplying the generated electricity or part of it to the power supply network, while the wind turbines and the supply device are connected via a DC voltage electrical network. In order to supply the electric power generated by the respective wind turbines in the form of direct electric current to a common supply device, the direct current network has a voltage in the range of 5-10 kV, and each wind turbine contains a generator for generating alternating electric current, a rectifier for rectifying the generated and a boost converter for stepping up the first DC voltage to a second DC voltage that is higher than the first DC voltage, wherein the DC voltage network includes a bus and a plurality line connections, while the second DC voltage is supplied to the wind farm DC voltage network.
Недостатками прототипа являются низкая надежность и эффективность, обусловленные тем, что повышающие преобразователи ветряных турбин для повышения первого постоянного тока до второго постоянного тока, должны содержать последовательно соединенные многофазный DC/AC инвертор, повышающий трансформатор, AC/DC выпрямитель, сглаживающий фильтр. Данное обстоятельство, увеличивает число преобразований электрической энергии и соответственно повышает потери при преобразовании, а значительная протяженность сети напряжения постоянного тока, включающей в себя шину и множество соединений линий, неисправность в которых может привести к прекращению генерации ветряной фермы.The disadvantages of the prototype are low reliability and efficiency, due to the fact that step-up converters of wind turbines to increase the first DC to the second DC must contain series-connected multi-phase DC/AC inverter, step-up transformer, AC/DC rectifier, smoothing filter. This circumstance increases the number of conversions of electrical energy and, accordingly, increases the losses during conversion, and the significant length of the DC voltage network, which includes a bus and many line connections, a failure in which can lead to a cessation of wind farm generation.
Указанные недостатки прототипа определяют решаемые заявляемым изобретением проблемы, к основной задаче изобретения относится создание ветряной электростанции, обладающей высокой надежностью, улучшенными массогабаритными показателями ветроэнергетических установок и высокой эффективностью преобразования. These disadvantages of the prototype determine the problems solved by the claimed invention, the main objective of the invention is the creation of a wind power plant with high reliability, improved weight and size parameters of wind turbines and high conversion efficiency.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности ветряной электростанции. The technical result to which the claimed invention is directed is to increase the reliability of the wind farm.
При этом достигается увеличение эффективности преобразования, сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети, уменьшение массы оборудования, размещенного в гондоле и башне ветроэнергетических установок. At the same time, an increase in the conversion efficiency is achieved, the preservation of the static stability of generation during transients and deep voltage drawdowns of the network, and a reduction in the mass of equipment located in the nacelle and tower of wind turbines.
Указанный технический результат достигается тем, что в ветряной электростанции, содержащей, по меньшей мере две ветряные турбины для выработки электроэнергии, каждая из которых содержит генератор для генерирования переменного электрического тока и общее устройство подачи выработанной электроэнергии или ее части в сеть электропитания, новым является то, что в общее устройство подачи дополнительно введены по меньшей мере, две секции шин постоянного тока, два входных модуля, два выходных модуля и модуль управления, при этом выход генератора переменного электрического тока каждой ветряной турбины соединен через один из входов общего устройства подачи с входом соответствующего входного модуля, выполненного в виде последовательно соединенных согласующего трансформатора, выпрямителя переменного тока, датчика постоянного тока, аппарата защиты постоянного тока, выход каждого входного модуля соединен с секцией шин постоянного тока, а к секции шин постоянного тока подключен вход выходного модуля, выполненного в виде последовательно соединенных коммутатора постоянного тока, автономного сетевого инвертора, повышающего трансформатора, первого блока фазных датчиков тока и напряжения, коммутатора переменного тока, второго блока фазных датчиков тока и напряжения, а выход выходного модуля через выход общего устройства подачи и линию электропередачи соединен с сетью электропитания. The specified technical result is achieved by the fact that in a wind farm containing at least two wind turbines for generating electricity, each of which contains a generator for generating alternating electric current and a common device for supplying the generated electricity or part of it to the power supply network, what is new is that at least two sections of DC buses, two input modules, two output modules and a control module are additionally introduced into the common feeder, while the output of the alternating electric current generator of each wind turbine is connected through one of the inputs of the common feeder to the input of the corresponding input module, made in the form of a matching transformer, an AC rectifier, a DC sensor, a DC protection device connected in series, the output of each input module is connected to the DC bus section, and the input of the output m is connected to the DC bus section. a module made in the form of a series-connected DC switch, an autonomous network inverter, a step-up transformer, the first block of phase current and voltage sensors, an alternating current switch, a second block of phase current and voltage sensors, and the output of the output module through the output of a common feeder and a power line connected to the power supply.
Рационально в ветряной электростанции в входном модуле, выход выпрямителя переменного тока соединять с входом датчика постоянного тока через сглаживающий фильтр.It is rational in a wind farm in the input module to connect the output of the AC rectifier to the input of the DC sensor through a smoothing filter.
Целесообразно в ветряной электростанции в выходном модуле повышающий трансформатор и первый блок фазных датчиков тока и напряжения соединять через фильтр электромагнитной совместимости.It is expedient to connect the step-up transformer and the first block of phase current and voltage sensors in the wind farm through the EMC filter in the output module.
В одном из вариантов выполнения в ветряной электростанции можно применить выпрямители переменного тока, выполненные с последовательным соединением мостов. In one embodiment, a wind farm can use AC rectifiers made with a series connection of bridges.
Рационально в ветряной электростанции цепи последовательного соединения мостов выпрямителей переменного тока, объединять в общую электрически нейтральную цепь постоянного тока (М +). It is rational in a wind farm to combine the series connection circuits of AC rectifier bridges into a common electrically neutral DC circuit (M + ).
Целесообразно в ветряной электростанции снабжать секции шин постоянного тока дополнительной электрически нейтральной шиной постоянного тока (М +). It is advisable in a wind farm to supply sections of DC busbars with an additional electrically neutral DC busbar (M + ).
Рекомендуется в ветряной электростанции к секции шин постоянного тока подключать по меньшей мере один блок конденсаторов.It is recommended that at least one bank of capacitors be connected to the DC bus section in a wind farm.
В ветряной электростанции в одном из вариантов выполнения модуль управления соединен с выходом датчика постоянного тока и с входом и выходом автономного сетевого инвертора.In a wind farm, in one embodiment, the control module is connected to the output of a DC sensor and to the input and output of a stand-alone grid inverter.
Целесообразно в ветряной электростанции выходы первого и второго блока фазных датчиков тока и напряжения соединять с входами автономного сетевого инвертора.It is advisable in a wind farm to connect the outputs of the first and second block of phase current and voltage sensors to the inputs of an autonomous network inverter.
Рекомендуется в ветряной электростанции к секции шин постоянного тока подключать минимум один аккумуляторный накопитель электрической энергии мегаваттного класса, состоящий из двух последовательно соединенных накопителей.In a wind farm, it is recommended to connect at least one megawatt-class electrical energy storage unit, consisting of two storage units connected in series, to the DC busbar section.
Повышение надежности ветряной электростанции обеспечивается за счет применения гибкой структуры, в которой ветровые турбины объединены в группы, выработанная энергия которых преобразуется входным модулем, суммируется на секциях шин постоянного тока и подается выходным модулем в сеть с обеспечением резервирования и автоматического переключения при аварийных режимах. The increase in the reliability of the wind farm is ensured by the use of a flexible structure in which wind turbines are combined into groups, the generated energy of which is converted by the input module, summed up on the DC bus sections and fed by the output module to the network with redundancy and automatic switching in emergency modes.
Увеличение эффективности преобразования обеспечивается за счет осуществления автономными сетевыми инверторами максимально эффективного отбора мощности (МРРТ) от групп ветряных турбин, создание общей электрической нейтрали постоянного тока (М+), позволяет применять RB-IGBT модули с трехуровневой топологией в автономных сетевых инверторах, которые снижают потери при переключении, расширяют спектральный состав выходного напряжения, улучшают фильтрацию и качество выработанной электроэнергии. The increase in conversion efficiency is ensured by the implementation of autonomous network inverters of the most efficient power take-off (MPPT) from groups of wind turbines, the creation of a common electrical neutral DC (M + ), allows the use of RB-IGBT modules with a three-level topology in autonomous network inverters, which reduce losses when switching, they expand the spectral composition of the output voltage, improve filtering and the quality of the generated electricity.
Сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети обеспечивается за счет суммарной емкостной энергии блоков конденсаторов большой емкости, конденсаторов сглаживающих LC-фильтров ветроэнергетических установок и емкостных аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса, формирующих общую буферную мощность. Preservation of the static stability of generation during transients and deep drawdowns of the mains voltage is ensured by the total capacitive energy of high-capacity capacitor banks, capacitors of smoothing LC filters of wind power plants and capacitive storage batteries of megawatt-class electrical energy, which form the total buffer power.
Уменьшение массы ветроэнергетических установок осуществляется за счет переноса основного электрооборудования ветроэнергетических установок в общее устройство подачи (комплексную электроустановку), расположенную в наземной геометрически центральной части ветряной электростанции. Reducing the mass of wind turbines is carried out by transferring the main electrical equipment of wind turbines to a common supply device (complex electrical installation) located in the ground geometrically central part of the wind farm.
Технический результат предлагаемого изобретения достигаются за счет создания новой структуры ветряной электростанции, основанной на принципах построения распределительных устройств электроустановок. Формирование основных принципов построения распределительных устройств наилучшим образом подходят для решения подобной задачи. The technical result of the invention is achieved by creating a new structure of the wind farm, based on the principles of construction of switchgears of electrical installations. The formation of the basic principles for the construction of switchgears is best suited for solving such a problem.
Компоновка и принципы построения электроустановок и комплексных распределительных устройств наиболее подходят для создания новой структуры ветряной электростанции и устраняет целый ряд недостатков у существующих ветряных электростанций (ВЭС) и ветропарков (ВП)The layout and principles of construction of electrical installations and complex switchgears are most suitable for creating a new structure of a wind farm and eliminates a number of shortcomings in existing wind farms (WPPs) and wind farms (WP)
Очевидными достоинствами подобной схемы является полное исключение технических решений, содержащих значительное количество генерирующих инверторов или генераторов с трансформаторами среднего напряжения работающих параллельно, за счет централизации всей генерации в автономных сетевых инверторах повышенной мощности, преобразующих электрическую энергию постоянного тока в трехфазный переменный ток, который повышается посредством повышающих трансформаторов, до величины сетевого напряжения, фильтруется фильтрами электромагнитной совместимости и через коммутаторы переменного тока и линию электропередачи отдается в сеть. Большая мощность автономных сетевых инверторов централизует преобразование, обеспечивает статическую устойчивость генерации, является микропроцессорной быстродействующей защитой повышающих разделительных трансформаторов и повышает общую надежность ветряной электростанции.The obvious advantages of such a scheme are the complete exclusion of technical solutions containing a significant number of generating inverters or generators with medium voltage transformers operating in parallel, due to the centralization of all generation in autonomous network inverters of increased power, which convert DC electrical energy into three-phase alternating current, which is increased by means of step-up transformers, to the value of the mains voltage, is filtered by electromagnetic compatibility filters and is fed into the network through alternating current switches and a power line. The large capacity of stand-alone grid inverters centralizes the conversion, ensures the static stability of generation, is a microprocessor-based high-speed protection of step-up isolation transformers, and improves the overall reliability of the wind farm.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:The claimed invention is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 - представлена обобщенная электрическая схема ветряной электростанции с оптимальным вариантом подключения к региональной сети электропитания,in fig. 1 - a generalized electrical circuit of a wind farm is presented with the best option for connecting to a regional power supply network,
на фиг. 2 - изображена схема управляющих связей между компонентами ветряной электростанции, где направление управляющих воздействий и направление потоков информации показаны стрелками,in fig. 2 - a diagram of control links between the components of a wind farm is shown, where the direction of control actions and the direction of information flows are shown by arrows,
на фиг. 3 - отображена электрическая схема соединения выпрямителя переменного тока с последовательным соединением мостов и сглаживающего фильтра,in fig. 3 - an electrical diagram of the connection of an AC rectifier with a series connection of bridges and a smoothing filter is displayed,
на фиг. 4 - показана электрическая схема с аппаратами защиты и блоком конденсаторов,in fig. 4 - shows an electrical circuit with protection devices and a block of capacitors,
на фиг. 5 - представлена электрическая схема соединения аккумуляторного накопителя электрической энергии мегаваттного класса с шинами секции постоянного тока,in fig. 5 - an electrical diagram of the connection of a megawatt class battery storage device with the buses of the DC section is shown,
на фиг. 6 - изображена диаграмма переключения ШИМ на основе RB-IGBT модулей с обратной запирающей способностью (технология с фиксированной нейтральной точкой и трехуровневой топологией), за один период восемь сигналов с уровнем сигнала 1/2. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии,in fig. 6 is a PWM switching diagram based on RB-IGBT modules with reverse blocking capacity (fixed neutral point technology and three-level topology), eight signals with a signal level of 1/2 in one period. The resulting output power has three levels (0, 1/2 and 1 full power) and a profile that is closer to sinusoidal than in a two-level topology,
на фиг. 7 - представлена диаграмма переключения ШИМ на основе RB-IGBT модулей с обратной запирающей способностью (технология с фиксированной нейтральной точкой и трехуровневой топологией), за один период шестнадцать сигналов с уровнем сигнала 1/2. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии.in fig. 7 is a PWM switching diagram based on RB-IGBT modules with reverse blocking capacity (fixed neutral point technology and three-level topology), sixteen signals with
Ветряная электростанция содержит, четыре ветряные турбины 1, 2, 3, 4, для выработки электроэнергии, каждая из которых содержит генератор 5, 6, G, для генерирования переменного электрического тока и общее устройство подачи 7 выработанной электроэнергии или ее части в сеть электропитания. В общее устройство подачи 7 дополнительно введены по меньшей мере; две секции шин постоянного тока 10, 11, два входных модуля 12, 13, три выходных модуля 14, 15, 16 и модуль управления 17 (фиг.2). Выход генератора 5 переменного электрического тока ветряной турбины 1 соединен через один из входов 8 общего устройства подачи 7 с входом соответствующего входного модуля 12, выполненного в виде последовательно соединенных согласующего трансформатора 18, выпрямителя переменного тока 19, датчика постоянного тока 21 и аппарата защиты постоянного тока 22. Выход входного модуля 12 соединен с первой секцией шин постоянного тока 10, к которой подключен вход выходного модуля 14, выполненного в виде последовательно соединенных коммутатора постоянного тока 23, автономного сетевого инвертора 24, повышающего трансформатора 25, первого блока фазных датчиков тока и напряжения 27, коммутатора переменного тока 28 и второго блока фазных датчиков тока и напряжения 29. Выход выходного модуля 14 через выход 30 общего устройства подачи 7 и линию электропередачи 31 соединен с сетью электропитания 33.The wind farm contains four
Цепи электрического соединения 34 и 35 генераторов 5 и 6 двух ветряных турбин 1 и 4 с входами 8 и 9 общего устройства подачи 7 и всех остальных ветряных турбин ветряной электростанции могут быть выполнены, например, в виде силовых электрических кабелей с номинальным напряжением в диапазоне от 3кВ до 75 кВ, (75 кВ - это максимальное номинальное напряжение синхронных генераторов, например, ТВМ – 500), при этом общее устройство подачи расположено в геометрически центральной части ветряной электростанции. Например, ветряные турбины находящиеся ближе к общему устройству подачи 7 могут иметь номинальную величину выходного напряжения генераторов равную 3 кВ, а ветряные турбины, расположенные на значительном расстоянии, номинальную величину выходного напряжения 75 кВ, в приоритетном варианте все генераторы 5, 6 и т.д., всех ветряных турбин электростанции имеют номинальное напряжение 75 кВ, при этом за счет высокого напряжения снижаются внутренние потери ветряной электростанции.The electrical connection circuits 34 and 35 of
Входные модули 12, 13 ветряных турбин 1 и 4 для упрощения схемы показаны более подробно, эти детали повторяются для всех остальных ветряных турбин 2, 3 и т.д. ветряной электростанции и имеют аналогичную последовательность электрического соединения элементов.
В предпочтительном варианте выполнения, во входных модулях 12 и 13 выходы выпрямителей переменного тока 19 и 37 соединены с входами датчиков постоянного тока 21 и 39 через сглаживающие фильтры 20 и 38. In the preferred embodiment, in the
Общее устройство подачи 7 по своей сути является электроустановкой, расположенной в геометрическом центре ветряной электростанции для отдачи генерируемой электрической энергии в сеть электропитания. Общее устройство подачи имеет в приоритетном варианте исполнения три выходных модуля 14, 15, 16, выходы которых подключены к выходам 30, 57, 48, общего устройства подачи 7. The
Целесообразно в ветряной электростанции в выходных модулях 14, 15, 16, повышающие трансформаторы 25, 52, 43 и, соответственно, первые блоки фазных датчиков тока и напряжения 27, 54, 45, соединять через фильтры электромагнитной совместимости 26, 53, 44.It is advisable in the wind farm in the
Выход генератора 6 переменного электрического тока ветряной турбины 4, соединен с помощью силового электрического кабеля 35 с входом 9 общего устройство подачи 7 и входом соответствующего входного модуля 13, выполненного в виде последовательно соединенных согласующего трансформатора 36, выпрямителя переменного тока 37, сглаживающего фильтра 38, датчика постоянного тока 39, аппарата защиты постоянного тока 40. Выход входного модуля 13 соединен со второй секцией шин постоянного тока 11, к которой подключен вход выходного модуля 16, выполненного в виде последовательно соединенных коммутатора постоянного тока 41, автономного сетевого инвертора 42, повышающего трансформатора 43, фильтра электромагнитной совместимости 44, первого блока фазных датчиков тока и напряжения 45, коммутатора переменного тока 46, второго блока фазных датчиков тока и напряжения 47, а выход выходного модуля 16 через выход 48 общего устройства подачи 7 и линию электропередачи 49 соединен с сетью электропитания 33.The output of the alternating
Два выходных модуля 14 и 16 описаны выше, а третий выходной модуль 15, состоит из коммутатора постоянного тока 61, подключенного к шинам первой секции постоянного тока 10, коммутатора постоянного тока 62, подключенного к объединяющей цепи аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 и коммутатора постоянного тока 63, подключенного к шинам второй секции постоянного тока 11. Выходы коммутаторов постоянного тока 61, 62, 63, соединены с входом автономного сетевого инвертора 51, далее с последовательно соединенными повышающим трансформатором 52, фильтром электромагнитной совместимости 53, первым блоком фазных датчиков тока и напряжения 54, коммутатором переменного тока 55, вторым блоком фазных датчиков тока и напряжения 56, и через выход 57 общего устройства подачи 7 и линию электропередачи 58, третий выходной модуль 15 соединен с сетью электропитания 33. The two
Линии электропередачи 31, 58, 49, могут быть выполнены в виде воздушных линий с номинальным напряжением 110 кВ или 220 кВ. Коммутаторы переменного тока 32, 59, 50, соединяющие линии электропередачи 31, 58, 49, с сетью электропитания 33, расположены на стороне сети и управляются (фиг. 1, 2) сетевым оператором 68.
Данный вариант схемы электрического соединения ветряной электростанции с региональной сетью электропитания является наиболее рациональным и надежным, так как обеспечивает полноценное резервирование (фиг. 1) и упрощает вывод в ремонт и ввод в эксплуатацию оборудования ветряной электростанции.This version of the electrical connection scheme of the wind farm with the regional power supply network is the most rational and reliable, as it provides full redundancy (Fig. 1) and simplifies the repair and commissioning of the wind farm equipment.
Все ветряные турбины разделены на группы 69, 70, при этом каждая группа ветряных турбин электрически связана с одной секцией шин постоянного тока 10 и 11.All wind turbines are divided into
В приоритетном варианте (фиг. 1), группа 69 ветряных турбин 1 и 2 электрически связана с первой секцией шин постоянного тока 10, а группа 70 ветряных турбин 3 и 4 электрически связана со второй секцией шин постоянного тока 11.In the preferred embodiment (FIG. 1), the
Достоинством электрической схемы с шинами постоянного тока является разделение этих шин на две секции постоянного тока первую 10 и вторую 11. Разделение и соединение шин первой 10 и второй 11 секции постоянного тока осуществляется с помощью коммутаторов постоянного тока 60, 61, 62, 63, 64, 65, которые необходимы для обеспечения различных режимов работы ветряной электростанции и подключения к секциям шин постоянного тока аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Также создаются возможности суммирования их емкостей, что увеличивает функциональность при различных режимах работы ветряной электростанции, обеспечивает гибкую систему управления и позволяет производить техническое обслуживание и ремонт электрооборудования, аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса и линий электропередач без отключения генерации ветряной электростанции, что значительно повышает ее надежность и упрощает эксплуатацию. The advantage of the electrical circuit with DC buses is the division of these buses into two DC sections, the first 10 and the second 11. The separation and connection of the tires of the first 10 and second 11 DC sections is carried out using DC switches 60, 61, 62, 63, 64, 65, which are necessary to provide various operating modes of the wind farm and connect megawatt-
Коммутатор постоянного тока 65 необходим для суммирования или разделения емкостного заряда аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66 и 67 в зависимости от режима работы ветряной электростанции и осуществляет возможность заряда накопителей от шин первой 10 или второй 11 секций постоянного тока.The
Коммутаторы постоянного тока 61, 63, необходимы для подключения автономного сетевого инвертора 51 к шинам первой 10 или второй 11 секции постоянного тока, а коммутатор постоянного тока 62 служит для подключения автономного сетевого инвертора 51 к объединяющей цепи аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66 и 67. Автономный сетевой инвертор 51 по существу является резервным и обеспечивает резервирование генерации при неисправности и отключении автономных сетевых инверторов 24 или 42, а также при переходных режимах работы электростанции.DC switches 61, 63 are required to connect the stand-
Переключение коммутаторов постоянного тока 60, 61, 62, 63, 64, 65 позволяет объединять шины секции постоянного тока 10, 11 для суммирования мощностей всех работающих генераторов 5, 6, G и т.д. всех ветряных турбин 1, 2, 3, 4 электростанции, что обеспечивает возможность перераспределения этой суммарной мощности между автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42 формируя резервирование генерации. При необходимости можно разделить мощности генераторов 5, 6, ветряных турбин 1, 2, 3, 4, на две равные группы 69 и 70, в периоды режимов нестабильной работы сети, при этом создаются две независимые гальванически развязанные схемы генерации – выходной модуль 14 с автономным сетевым инвертором 24 и выходной модуль 16 с автономным сетевым инвертором 42, а выходной модуль 15 с автономным сетевым инвертором 51 может быть подключен к шинам первой 10 или второй 11 секции постоянного тока или к объединяющей цепи аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66 и 67, что также повышает общую надежность работы ветряной электростанции. Switching DC switches 60, 61, 62, 63, 64, 65 allows you to combine the busbars of the
Коммутаторы постоянного тока 23, 41, 60, 61, 62, 63, 64, 65, могут быть выполнены в приоритетном варианте в виде масляных или вакуумных выключателей.DC switches 23, 41, 60, 61, 62, 63, 64, 65 can be made in the form of oil or vacuum circuit breakers as a priority.
Согласующие трансформаторы 18, 36 входных модулей 12, 13 осуществляют сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора на 300 электрических градусов, изменяют напряжение генераторов 5, 6 переменного тока ветряных турбин 1, 4, с различной величиной напряжения до номинального, являясь согласующими элементами электростанции, и допускают использование на одной ветряной электростанции ветряных турбин различных производителей со своими системами электромеханического управления скоростью вращения и моментами силы на валах генераторов. При этом роторы генераторов 5, 6 могут вращаться хаотично с разными скоростями. Кроме того, согласующие трансформаторы 18, 36 осуществляют гальваническую развязку между генераторами 5, 6, ветряных турбин 1, 4 и автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42, обеспечивая статическую устойчивость генерации при неисправностях и ошибках регулирования скорости вращения роторов генераторов 5, 6, исключают отрицательное воздействие аварийных режимов при коротких замыканиях в электрической цепи ветряных турбин (генератор, силовой электрический кабель), благодаря чему повышается надежность функционирования ветряной электростанции. Выход из строя или снижение скорости вращения роторов генераторов 5, 6 любой ветряной турбины 1, 2, 3, 4 электростанции или неисправность в одном из входных модулей 12, 13 этих ветряных турбин предлагаемой ветряной электростанции ведет только к снижению выходной мощности генерации электростанции на мощность генератора этой ветряной турбины. Это способствует повышению общей надежности работы ветряной электростанции.Matching
Выпрямители переменного тока с последовательным соединением мостов 19, 37 (фиг. 1, 3), входящие в состав входных модулей 12, 13, преобразуют переменный ток выходов 75, 76 вторичных обмоток согласующих трансформаторов 18, 36 (одна обмотка 75 соединена в «треугольник», вторая обмотка 76 соединена в «звезду»), в выпрямленное постоянное двенадцатипульсное напряжение, которое затем сглаживается с помощью сглаживающих фильтров (например, LC-фильтров) 20, 38, при этом снижаются пульсации и улучшается гармонический состав (фиг. 3) выходного напряжения и тока на выходе 77. AC rectifiers with series connection of
На фиг. 2 изображена схема управляющих связей между компонентами ветряной электростанции, где направление управляющих воздействий и направление потоков информации показаны стрелками.In FIG. 2 shows a diagram of control links between the components of a wind farm, where the direction of control actions and the direction of information flows are shown by arrows.
С модуля управления 17 ветряной электростанции осуществляется дистанционное управление коммутаторами постоянного тока 23, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 41 для оперативных переключений, а также осуществляется мониторинг параметров работы и управление регулирующими механизмами ветряных турбин 1, 2, 3, 4, их генераторов 5, 6, и величины выпрямленного и сглаженного постоянного тока каждого генератора ветряной турбины электростанции, поступающего на секции шин постоянного тока 10, 11, а также аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 и автономных сетевых инверторов 24, 51, 42. Информацию о значениях основных текущих параметров работы ветряной электростанции модуль управления 17 через управляющую шину 78 передает сетевому оператору 68. Сетевой оператор 68 управляет коммутаторами переменного тока 32, 59, 50, находящимися в точке подключения ветряной электростанции к региональной сети электропитания 33.From the
К выходам (фиг. 1, 2, 3) сглаживающих фильтров 20, 38 на плюсовом полюсе подключены датчики постоянного тока 21, 39, выходы которых подключены к входам модуля управления 17. Модуль управления 17 управляет основными элементами общего устройства подачи (электроустановки) 7 и всеми ветряными турбинами 1, 2, 3, 4, получает и передает текущие потоки информации через управляющую шину 78. Модуль управления 17 суммирует значения постоянного тока датчиков токов 21 группы 69 ветряных турбин 1, 2, питающих первую секцию шин постоянного тока 10 и через управляющую шину 78 отправляет значение суммы токов на вход автономного сетевого инвертора 24 для осуществления максимально эффективного отбора мощности (МРРТ). Аналогично модуль управления 17 суммирует значения постоянного тока датчиков токов 39 группы 70 ветряных турбин 3, 4, питающих вторую секцию шин постоянного тока 11 и через управляющую шину 78 передает значение суммы токов на вход автономного сетевого инвертора 42 для осуществления максимально эффективного отбора мощности (МРРТ), тем самым повышает общую эффективность преобразования.
Рациональным техническим решением (фиг. 1, 3), является электрическое соединение цепей последовательного соединения мостов, каждого выпрямителя переменного тока 19, 37 и объединение их в общую электрически нейтральную цепь постоянного тока (М +). Объединение всех нейтральных цепей выпрямителей переменного тока 19, 37 осуществляется через аппараты защиты постоянного тока 22, 40 на нейтральной шине (фиг. 3, 4, 5) постоянного тока (М +), входящей в состав шин первой 10 и второй 11 секций постоянного тока.A rational technical solution (Fig. 1, 3) is the electrical connection of the series connection circuits of the bridges, each
Это техническое решение позволяет в автономных сетевых инверторах 24, 51, 42 использовать новые RB-IGBT модули с обратной запирающей способностью.This technical solution allows
В статье Даниеля Хофманна (Daniel Hofmann) «Основное отличие между стандартными IGBT и RB-IGBT — обратная запирающая способность», опубликованном в журнале Силовая Электроника, № 4’2013 сформулирована основная задача силовой электроники - обеспечение высокой эффективности преобразования энергии и снижение потерь мощности. Развитие трехуровневых инверторов, создание технологии фиксированной нейтральной точки является одним из важнейших шагов в повышении эффективности преобразования. Одной из наиболее эффективных конфигураций преобразователей мощности для устройств постоянного тока может быть выделена многоуровневая топология, а наиболее распространенным решением для повышения ее эффективности является трехуровневый преобразователь с топологией Neutral-Point-Clamped (NPC). Трехуровневая топология позволяет снизить потери на переключении, уменьшить размеры фильтра путем расширения спектрального состава выходного напряжения и увеличения частоты переключения. Благодаря тому, что только половина постоянного напряжения передается от выхода до нейтральной точки (M+), требуются кристаллы RB-IGBT с меньшим классом напряжения. Применение RBIGBT-кристаллов в режиме двунаправленного переключения приводит к снижению потерь при коммутации и повышает эффективность преобразования. Daniel Hofmann's article "The Main Difference Between Standard IGBTs and RB-IGBTs is Reverse Blocking Capability", published in Power Electronics, No. 4'2013, states the main goal of power electronics is to provide high power conversion efficiency and reduce power losses. The development of three-level inverters, the creation of fixed neutral point technology is one of the most important steps in improving the conversion efficiency. One of the most efficient power converter configurations for DC devices can be identified as a multi-level topology, and the most common solution to improve its efficiency is a three-level converter with a Neutral-Point-Clamped (NPC) topology. The three-level topology reduces switching losses, reduces the filter size by expanding the spectral composition of the output voltage and increasing the switching frequency. Due to the fact that only half of the DC voltage is transmitted from the output to the neutral point (M+), RB-IGBT chips with a lower voltage class are required. The use of RBIGBT chips in the bidirectional switching mode leads to lower switching losses and improves conversion efficiency.
На фиг. 6 изображена диаграмма переключения ШИМ на основе RB-IGBT модулей с обратной запирающей способностью (технология с фиксированной нейтральной точкой и трехуровневой топологией) за один период восемь сигналов с уровнем сигнала 1/2. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии.In FIG. 6 shows a PWM switching diagram based on RB-IGBT modules with reverse blocking capacity (fixed neutral point technology and three-level topology) in one period of eight signals with a signal level of 1/2. The resulting output power has three levels (0, 1/2 and 1 full power) and a profile that is closer to sinusoidal than in a two-level topology.
На фиг. 7 представлена диаграмма переключения ШИМ на основе RB-IGBT модулей с обратной запирающей способностью (технология с фиксированной нейтральной точкой и трехуровневой топологией) за один период шестнадцать сигналов с уровнем сигнала 1/2. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии.In FIG. 7 is a PWM switching diagram based on RB-IGBT modules with reverse blocking capacity (fixed neutral point technology and three-level topology) in one period of sixteen signals with a signal level of 1/2. The resulting output power has three levels (0, 1/2 and 1 full power) and a profile that is closer to sinusoidal than in a two-level topology.
Это решение снижает потери на переключение, уменьшает размеры фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44, снижает потери на проводимости, улучшает качество синусоиды и повышает эффективность преобразования. This solution reduces switching losses, reduces the size of the EMC filters 26, 53, 44, reduces conduction losses, improves the quality of the sine wave and increases the conversion efficiency.
Аппараты защиты постоянного тока 22, 40 служат для защиты шин постоянного тока первой 10 и второй 11 секций при неисправности и от коротких замыканий в выпрямителях переменного тока 19, 37 (с последовательным соединением мостов) и в сглаживающих фильтрах 20, 38 и повышают надежность генерации. Аппараты защиты 22, 40 могут быть выполнены (фиг. 1, 4) в виде трехполюсных автоматических выключателей, масляных выключателей или вакуумных выключателей.
К входам автономных сетевых инверторов 24, 51, 42, соответственно подключены (фиг. 1, 2) выходы первых блоков фазных датчиков тока и напряжения 27, 54, 45, а также соответственно выходы вторых блоков фазных датчиков тока и напряжения 29, 56, 47 со стороны сети электропитания 33. Первые и вторые блоки фазных датчиков тока и напряжения 27, 54, 45 и 29, 56, 47 необходимы для синхронизации автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42 фазного переменного напряжения по частоте и напряжению выходов повышающих трансформаторов 25, 52, 43 после фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44 с переменным напряжением региональной сети электропитания 33 через соответствующие линии электропередачи 31, 58, 49 и обеспечивают измерение мгновенных значений токов каждой фазы и фазных напряжений вторичных обмоток повышающих трансформаторов 25, 52, 43, при генерации электрической энергии в сеть. Это необходимо для формирования следующих функций автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 - управления мощностью генерации, мониторинга и защиты повышающих трансформаторов 25, 52, 43. Автономные сетевые инверторы 24, 51, 42, (фиг. 1, 2) управляют соответствующими коммутаторами переменного тока 28, 55, 46 для автоматического включения в параллельную работу при достижении синхронизации выходов фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44 с региональной сетью электропитания 33, тем самым включают в параллельную работу повышающие трансформаторы 25, 52, 43 и сетевой трансформатор (на рисунке не показан) региональной сети электропитания 33.The outputs of the first blocks of phase current and
Автономные сетевые инверторы 24, 51, 42 рационально выполнять с индивидуальным управлением каждой фазой, что позволяет передавать преобразованную энергию в наиболее нагруженную фазу сети, выравнивать электрическую нейтраль сетевого трансформатора (на рисунках не показан) и уменьшать асимметрию, тем самым повышается надежность ветряной электростанции и качество переменного тока региональной сети электропитания 33.
Кроме того, (фиг. 1, 4) параллельно к шинам постоянного тока первой 10 и второй 11 секций, через аппараты защиты постоянного тока 71, 73, например, предохранители, подключены блоки конденсаторов 72 и 74 большой емкости (преимущественно, ионисторы). В блоке каждый конденсатор 79 может подключаться через свои силовые предохранители 80, 81, что обеспечивает селективность защиты и надежность генерации и минимизирует негативные эффекты при коротком замыкании в неисправном конденсаторе. Блоки конденсаторов 72, 74, снижают содержание гармоник и уменьшают пульсацию выпрямленного напряжения вращающихся с разной скоростью роторов генераторов 5, 6 переменного тока ветряных турбин 1, 2, 3, 4. Суммарная емкость блоков конденсаторов 72, 74 и конденсаторов сглаживающих фильтров 20, 38, подключенных параллельно к первой и второй секции шин постоянного тока 10, 11, формирует буферную емкостную мощность при переходных процессах и небольших по времени (порядка нескольких секунд) просадках напряжения сети, обеспечивая статическую устойчивость генерации автономных сетевых инверторов 24, 51, 42, входящих в состав выходных модулей 14, 15, 16. Такое решение повышает надежность работы электростанции.In addition, (Fig. 1, 4) in parallel to the DC buses of the first 10 and second 11 sections, through the
Рационально к первой 10 и второй 11 секциям шин постоянного тока подключать аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Это увеличивает надежность ветряной электростанции, позволяет накапливать часть преобразованной электрической энергии и отдавать ее в сеть, добавляя к текущей генерируемой мощности от ветряных турбин в пиковые периоды сетевой нагрузки. При этом формируется значительная буферная емкостная мощность при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети и обеспечивается дополнительная статическая устойчивость генерации автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 выходных модулей 14, 15, 16. При этом значительно увеличивается надежность работы ветряной электростанции.It is rational to connect battery storage devices of
Аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, значительно снижают вероятность негативных последствий разбалансировки региональной сети электропитания 33 при уменьшении скорости ветрового потока и резком прекращении генерации ветряной электростанции от ветряных турбин, приводящих к выпадению значительной генерирующей мощности. При этом энергия емкостного заряда аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, преобразованная автономными сетевыми инверторами, сохраняет устойчивую генерацию ветряной электростанции без уменьшения ее мощности на определенный период времени и дает возможность сетевому оператору 68 (фиг.2) региональной сети электропитания произвести необходимые переключения и подготовить другие источники электрической энергии для замещения выпадающей мощности, тем самым исключить аварийные отключения потребителей, приводящих к общей разбалансировке системы региональной сети электропитания 33.Accumulators of electrical energy of
Целесообразно применять (фиг. 5) аккумуляторный накопитель электрической энергии мегаваттного класса 66, состоящий из двух последовательно соединенных и равнозначных по техническим характеристикам накопителей 82 и 83. Цепь последовательно соединенных данных накопителей электрической энергии является электрической нейтралью 84 постоянного тока этого аккумуляторного накопителя электрической энергии мегаваттного класса. Это техническое решение (фиг. 1) позволяет осуществлять питание автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 от емкостного заряда аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 для формирования автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42 выходного сигнала ШИМ (фиг. 6, 7) с трехуровневой топологией. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии.It is advisable to use (Fig. 5) a
Предлагаемая структура ветряной электростанции снижает массу ветряных турбин и уменьшает эксплуатационные расходы за счет переноса всего электрооборудования из гондол и башен ветряных турбин в наземное здание общего устройства подачи (электроустановки), за исключением генераторов, а также исключает локальную распределительную сеть (коллекторную сеть), что повышает надежность работы станции. The proposed structure of the wind farm reduces the mass of wind turbines and reduces operating costs by moving all electrical equipment from the nacelles and towers of wind turbines to the ground building of the common supply device (electrical installation), with the exception of generators, and also eliminates the local distribution network (collector network), which increases station reliability.
Ветряная электростанция работает следующим образом. The wind farm works as follows.
В память модуля управления 17 ветряной электростанции заносятся параметры ветряных турбин 1, 2, 3, 4 и аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. В память блоков управления автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 заносятся рабочие параметры повышающих трансформаторов 25, 52, 43, что с учетом защит региональной сети электроснабжения обеспечивает селективность и стабильную работу устройств региональной сети электропитания 33.The parameters of
В исходном состоянии ветряной электростанции (фиг. 1, 2), включены аппараты защиты постоянного тока 22, 40 всех ветряных турбин 1, 2, 3, 4 электростанции и аппараты защиты постоянного тока 71, 73 блоков конденсаторов 72, 74. In the initial state of the wind farm (Fig. 1, 2), the
Ветряные турбины 1, 2, 3, 4 (фиг.1) преобразуют кинетическую энергию начального ветрового потока в трехфазный переменный ток. Выходы переменного тока генераторов 5, 6 ветряных турбин, имеют номинальную величину напряжения 75 кВ, что позволяет за счет высокого напряжения уменьшить потери в силовых электрических кабелях 34, 35 и снизить внутренние электрические потери станции, тем самым повысить эффективность преобразования.
Преобразованный трехфазный переменный ток генераторов 5, 6 каждой ветряной турбины 1, 2, 3, 4 через электрические силовые кабели 34, 35, через входы 8, 9 общего устройства подачи 7 подается на входы согласующих трансформаторов 18, 36 входных модулей 12, 13, которые осуществляют сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора на 300 электрических градусов, понижают выходной трехфазный переменный ток генераторов с различной величиной напряжения до номинального и являются основными согласующими элементами. Согласование осуществляется на стадии проектирования путем подбора согласующих трансформаторов с расчетными коэффициентами трансформации, при этом осуществляется гальваническая развязка ветряных турбин 1, 2, 3, 4 с выпрямителями переменного тока 19, 37 и секциями шин постоянного тока 10, 11, что также способствует увеличению надежности функционирования ветряной электростанции.The converted three-phase alternating current of the
Преобразованный пониженный переменный ток (фиг. 1, 3) подается на входы выпрямителей переменного тока 19, 37, выполненных, например, многоимпульсными с последовательным соединением мостов, содержащими по два 6-импульсовых мостовых выпрямителя, подключённых к вторичным обмоткам согласующих трансформаторов 18, 36. При этом одна трехфазная обмотка соединяется по схеме «треугольник», (выход 75), а другая трехфазная обмотка - по схеме «звезда», (выход 76). Вторичные обмотки трансформатора образуют две трёхфазные схемы со сдвигом фаз на 300 электрических градусов, выпрямители переменного тока с последовательным соединением мостов 19, 37 преобразуют переменный ток в постоянный пульсирующий ток, с улучшенным гармоническим составом выходного напряжения и тока. Последовательное соединение мостов формирует среднее значение выпрямленного напряжения холостого хода равное: The converted reduced alternating current (Fig. 1, 3) is fed to the inputs of the
Ud = 4,68 E2 , где Ud - среднее значение выпрямленного напряжения, E2 – действующее значение фазного напряжения на вторичных обмотках трансформатора.U d \u003d 4.68 E 2 , where U d is the average value of the rectified voltage, E 2 is the effective value of the phase voltage on the secondary windings of the transformer.
Например, для выпускаемых двенадцатипульсных выпрямителей с последовательным соединением мостов - ТПЕД-3150-3,3к–У1 (Тяговый Полупроводниковый с Естественным охлаждением на Диодах, номинальный ток нагрузки Idн = 3150 А, номинальное напряжение 3,3 кВ, климатическое исполнение для умеренного климата 1 категории), коэффициент полезного действия данного выпрямителя в номинальном режиме составляет не менее 0,996.For example, for manufactured twelve-pulse rectifiers with series connection of bridges - TPED-3150-3.3k-U1 (Traction Semiconductor with Natural Cooling on Diodes, rated load current I dn = 3150 A, rated voltage 3.3 kV, climatic version for
Выпрямленный (фиг.1, 3) пульсирующий двенадцатипульсный постоянный ток подается на вход сглаживающих фильтров 20, 38, выполненных, например, в виде LC-фильтров, которые сглаживают пульсацию выпрямленного напряжения, снижают содержание гармоник и обеспечивают защиту от скачков при краткосрочной потере мощности. Выходы 77 сглаживающих LC-фильтров 20, 38 на плюсовом полюсе снабжены датчиками постоянного тока 21, 39, показания которых (фиг. 2), через модуль управления 17 и шину управления 78, передаются на входы автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 для мониторинга выходной мощности каждой ветряной турбины и поступающей суммарной мощности на каждую секцию шин постоянного тока 10 и 11. Rectified (figure 1, 3) pulsating twelve-pulse direct current is fed to the input of smoothing
Электрические цепи последовательного соединения мостов выпрямителей переменного тока 19, 37 (фиг. 1, 3), по отношению к положительному и отрицательному полюсам выходов этих выпрямителей переменного тока 19, 37 являются электрическими нейтралями постоянного тока ( + ). Сглаженный постоянный ток и цепи электрических нейтралей постоянного тока ( + ) через включенные силовые контакты аппаратов защиты постоянного тока 22, 40 коммутируется на шины первой 10 и второй 11 секций постоянного тока. Каждая секция шин (фиг. 4, 5) постоянного тока 10 и 11 содержит три шины: шину плюсового полюса (L+), шину минусового полюса (L-) и нейтральную шину постоянного тока (М+). Электрические цепи последовательного соединения мостов выпрямителей переменного тока 19, 37, а также всех ветряных турбин, через включенные аппараты защиты (фиг. 1, 4) постоянного тока 22, 40 формируют их электрическое объединение на нейтральной шине постоянного тока (М +).The electrical circuits of the series connection of the bridges of the
Постоянный ток первой 10 и второй 11 секций шин постоянного тока, коммутируется (фиг. 1) через включенные аппараты защиты постоянного тока 71, 73 в емкостной заряд блоков конденсаторов 72, 74. Такое техническое решение ведет к дополнительным преимуществам предлагаемой ветряной электростанции, т.к. происходит суммирование энергии емкостей всех конденсаторов сглаживающих LC-фильтров 20, 38 всех ветряных турбин электростанции и емкостей блоков конденсаторов 72, 74, что уменьшает содержание гармоник, снижает пульсацию постоянного тока, допускает хаотичное (асинхронное) вращении роторов генераторов 5, 6, G ветряных турбин и формирует буферную мощность при непродолжительных просадках напряжения региональной сети, сохраняя статическую устойчивость генерации. Регулирование величины выходного постоянного тока (фиг. 2) каждой ветряной турбиной 1, 2, 3, 4 осуществляется оператором ветряной станции с помощью модуля управления 17 ветряной электростанции за счет электромеханического регулирования моментами давления ветровых потоков на ветряные турбины, что приводит к изменению скорости вращения роторов генераторов 5, 6 и соответственно, изменению величины выходного напряжения постоянного тока сглаживающих LC-фильтров 20, 38 по отношению к величине напряжения на секциях шин постоянного тока 10 и 11. The direct current of the first 10 and second 11 sections of the DC buses is switched (Fig. 1) through the included
Это упрощает требования к системам электромеханического управления скоростью вращения и моментами силы на валах генераторов ветряных турбин, устраняет необходимость поддерживать синхронную работу генераторов или инверторов всех ветряных турбин и допускает исключение промежуточных редукторов (мультипликаторов), что дополнительно повышает надежность функционирования электростанции.This simplifies the requirements for systems for electromechanical control of the rotation speed and torques on the wind turbine generator shafts, eliminates the need to maintain synchronous operation of the generators or inverters of all wind turbines, and allows the elimination of intermediate gearboxes (multipliers), which further increases the reliability of the power plant.
При возрастании скорости ветрового потока (фиг. 1), повышается величина напряжения выпрямленного постоянного тока на шинах секций постоянного тока 10 и 11, происходит заряд блоков конденсаторов 72 и 74 выше номинальной (например, выше 690 В) величины. Модуль управления 17 включает коммутаторы постоянного тока 60, 64, и воздействуя на органы управления ветряных турбин, плавно повышает напряжение на шинах первой 10 и второй 11 секций постоянного тока до величины напряжения (800 В) таким образом, чтобы величина зарядного тока аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66 и 67 не превышала расчетных значений. За счет электромеханического регулирования моментами давления ветровых потоков на ветряные турбины, ведущего к изменению скорости вращения роторов генераторов 5, 6 и в результате, к изменению величины выходного напряжения постоянного тока на шинах первой секции постоянного тока 10 от группы 69 ветряных турбин 1, 2 и на шинах второй секции постоянного тока 11 от группы 70 ветряных турбин 3, 4. Каждый аккумуляторный накопитель электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 через свой вход/выход осуществляет регулируемый зарядный цикл до полного заряда от своей секции шин постоянного тока 10 и 11. Этот режим работы предлагаемой ветряной электростанции позволяет заряжать аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, без использования зарядного контролера, упрощая конструкцию и значительно снижая стоимость самих систем хранения электрической энергии.With an increase in the speed of the wind flow (Fig. 1), the voltage of the rectified DC on the buses of the
Возможен заряд аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 от одной из секции шин постоянного тока, для этого включается коммутатор постоянного тока 65, суммирующий емкости накопителей. А величину напряжения на шинах секции, с которой не осуществляется зарядный цикл, снижают до величины номинального напряжения (690 В). It is possible to charge accumulators of electrical energy of
После завершения зарядного цикла (фиг.2), по управляющим воздействиям с модуля управления 17 ветряной электростанции на ветряные турбины 1, 2, 3, 4 снижается скорость вращения роторов генераторов 5, 6, уменьшается величина напряжения постоянного тока и секций шин постоянного тока до номинальной величины (690 В). Номинальная величина напряжения секций шин постоянного тока 10, 11 соответствует величине напряжения полностью заряженных аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Рационально при проектировании выбирать номинальное напряжение на шинах секций постоянного тока в диапазоне от 690 до 1500 В.After the completion of the charging cycle (figure 2), according to the control actions from the
Сетевой оператор 68 включает (фиг. 1, 2) коммутаторы переменного тока региональной сети 32, 59, 50, подключает линии электропередач 31, 58, 49 к региональной сети электропитания 33, при этом сетевое трехфазное напряжение через линии электропередач 31, 58, 49 и вторые блоки фазных датчиков тока и напряжения 29, 56, 47 подается на выходы коммутаторов переменного тока 28, 55, 46.The
Далее модуль управления 17 включает силовые коммутаторы постоянного тока 23, 61, 63, 41, объединяет шины первой 10 и второй 11 секций постоянного тока, питающие постоянным током автономные сетевые инверторы 24, 51, 42, преобразующие постоянный ток в трехфазный переменный ток, напряжение которого повышают посредствам повышающих трансформаторов 25, 52, 43. Повышающие разделительные трансформаторы 25, 52, 43 могут быть выполнены трехобмоточными, например, 0,69/35/220 кВ. Повышенное напряжение фильтруется с помощью фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44, которое, соответственно, через первые блоки фазных датчиков тока и напряжения 27, 54, 45 подается на входы соответствующих коммутаторов переменного тока 28, 55, 46. Further, the
Автономные сетевые инверторы 24, 51, 42 (фиг. 1, 2), в соответствии с информацией о мгновенных значениях фазных напряжений, полученных соответственно от первых 27, 54, 44 и вторых блоков фазных датчиков тока и напряжения 29, 56, 47 со стороны сети, производят сравнение полученной информации, формируют управляющие воздействия для широтно-импульсной модуляции, синхронизируют выходы фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44 с фазным напряжением региональной сети электропитания 33.
При достижении синхронизации блоки управления автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 автоматически замыкают соответствующие коммутаторы переменного тока 28, 55, 46, включают в параллельную работу повышающие трансформаторы 25, 52, 43 через соответствующие линии электропередач 31, 58, 49, коммутаторы переменного тока 32, 59, 50 региональной сети соединяют с трансформатором (на рисунке не показан) региональной сети электропитания 33.When synchronization is achieved, the control units of
Затем автономные сетевые инверторы 24, 51, 42 повышают величину фазного напряжения своих выходов, тем самым увеличивают величину фазного выходного напряжения повышающих трансформаторов 25, 52, 43 и соответственно выходов фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44 до уровня, превышающего сетевое напряжение, при этом образуется ток направленный в сторону сети, а преобразованная отфильтрованная электрическая энергия генераторов 5, 6, G ветряных турбин, через замкнутые контакты коммутаторов переменного тока 28, 55, 46, вторые блоки фазных датчиков тока и напряжения 29, 56, 47, выходы 30, 57, 48 общего устройства подачи 7, линии электропередач 31, 58, 49, и соответствующие коммутаторы переменного тока региональной сети 32, 59, 50, будет передаваться в региональную сеть электропитания 33. Then
Автономные сетевые инверторы в приоритетном варианте выполнены с индивидуальным управлением каждой фазой, что позволяет передавать преобразованную энергию в наиболее нагруженную фазу сети, выравнивая электрическую нейтраль сетевого трансформатора уменьшая асимметрию, и тем самым повысить качество переменного тока региональной сети электропитания.Autonomous network inverters in the priority version are made with individual control of each phase, which allows transferring the converted energy to the most loaded phase of the network, aligning the electrical neutral of the network transformer, reducing asymmetry, and thereby improving the quality of the alternating current of the regional power supply network.
При генерации (фиг. 1) электрической энергии в региональную сеть электропитания 33, повышается величина постоянного тока от ветряных турбин, определяемая датчиками постоянного тока 21, 39. Модуль управления 17 получает данные от датчиков постоянного тока 21, 39, (фиг. 2) всех ветряных турбин 1, 2, 3, 4, определяет их общую суммарную величину и параметры заряда аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Модуль управления 17 через управляющую шину 78 перераспределят генерирующую мощность между автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42 путем изменения значений постоянного тока для каждого инвертора в пределах суммарной величины общего постоянного тока, поступающего на секции шин постоянного тока. При этом образуется замкнутый контур регулирования мощности и формируется эффективный отбора мощности (МРРТ) от каждой группы 69 и 70 всех ветряных турбин 1, 2, 3, 4 и повышается общая эффективность преобразования ветряной электростанции.When generating (Fig. 1) electrical energy in the regional
Оптимально, чтобы автономные сетевые инверторы 24, 51, 42 были одинаковой мощности, которая должна соответствовать суммарной номинальной выходной мощности всех генераторов 5, 6, G переменного тока ветряных турбин, подключенных к шинам одной секции постоянного тока, соответственно секции шин постоянного тока 10 и 11 должны иметь равную подключаемую мощность.It is optimal that the stand-
Автономный сетевой инвертор 51 по своей сути является резервным и служит для автоматического резервирования генерации при аварийных отключениях сетевых инверторов 24 или 42 при коммутации емкостной электрической энергии емкостных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 в периоды пиковой сетевой нагрузки.
В нормальных режимах работы ветряной электростанции допускается с помощью автономного сетевого инвертора 51 выходного модуля 15 передавать преобразованную энергию только в наиболее нагруженную фазу сети, что способствует выравниванию электрической нейтрали сетевого трансформатора, уменьшению асимметрии и, в результате, повышению качества переменного тока региональной сети электропитания 33.In normal operating modes of a wind farm, it is allowed, using an
В периоды нестабильной работы сети (фиг.1, 2), модуль управления 17 включает коммутатор постоянного тока 65, объединяет заряд аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, замыкает коммутатор постоянного тока 62 и подключает сетевой инвертор 51 к цепи объединенных аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Модуль управления 17, через управляющую шину 78 отправляет на вход автономного сетевого инвертора 24 значение суммы постоянного тока поступающего на первую секцию шин постоянного тока 10, а на вход автономного сетевого инвертора 42 передает значение суммы постоянного тока поступающего на вторую секцию шин постоянного тока 11 и распределяет генерирующую мощность всех ветряных турбин между двумя выходными модулями 14 и 16. Далее модуль управления 17 отключает коммутаторы постоянного тока 60, 61, 63, 64, разделяет общее соединение шин первой 10 и второй 11 секции постоянного тока и отключает аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, от первой 10 и второй 11 секций шин постоянного тока. При этом создаются три параллельных независимых гальванически развязанных цепи генерации с подачей мощности в сеть за счет разделения мощностей ветряных турбин электростанции на две равные части, образуются две независимых цепи генерации, одна цепь - группа 69 всех ветряных турбин 1, 2, подключенных к первой 10 секции шин постоянного тока и автономный сетевой инвертор 24 (выходной модуль 14), вторая цепь - группа 70 всех ветряных турбин 3, 4, подключенных ко второй 11 секции шин постоянного тока и автономный сетевой инвертор 42 (выходной модуль 16), а также добавляется еще третья независимая параллельная цепь генерации с подачей мощности в сеть от заряда объединенных аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, через автономный сетевой инвертор 51 (выходной модуль 15), что обеспечивает высокую надежность работы ветряной электростанции.During periods of unstable network operation (FIGS. 1, 2), the
Целесообразно в предлагаемой ветряной электростанции, применять аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, это условие может стать обязательным для всей возобновляемой энергетики, так как повышает надежность работы электрических сетей при генерации и при отсутствии генерации, связанной с непостоянством первичной энергии возобновляемых источников энергии. Таким образом решается задача управления потоками появляющихся генерирующих мощностей или выпадающих генерирующих мощностей. Использование аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса, позволяет сохранять статически устойчивую генерацию и формировать сбалансированную систему снабжения электрической энергии.It is advisable in the proposed wind farm to use storage batteries of electrical energy of
Размещение аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса в здании общего устройства подачи (электроустановки) ветряной электростанции защищает накопители от вредных факторов окружающей среды (высокой или низкой температуры, влажности и т.д.), так как в конструкции аккумуляторных накопителей основными элементами являются аккумуляторы, работа которых основана на химических реакциях.The placement of megawatt-class battery storage units in the building of a common supply device (electrical installation) of a wind farm protects the storage units from harmful environmental factors (high or low temperature, humidity, etc.), since batteries are the main elements in the design of storage storage units, work based on chemical reactions.
Кроме того, новая структура предлагаемой ветряной электростанции с интеграцией аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса, упрощает конструкцию самих накопителей, исключает из их конструкции мощные компоненты - зарядные контроллеры, генерирующие инверторы, фильтры, повышающие трансформаторы и т. д. Даже при наличии в конструкции зарядного контроллера значительно снижается общая стоимость аккумуляторных накопителей электрической энергии высокой мощности и соответственно себестоимость преобразованной электрической энергии от возобновляемых источников энергии. In addition, the new structure of the proposed wind farm with the integration of megawatt-class battery storage devices simplifies the design of the storage devices themselves, excludes powerful components from their design - charging controllers, generating inverters, filters, step-up transformers, etc. Even if there is a charger in the design the controller significantly reduces the total cost of high-power storage batteries and, accordingly, the cost of converted electrical energy from renewable energy sources.
При необходимости увеличения выходной мощности ветряной электростанции рационально при проектировании применять вариант с тремя воздушными линиями электропередачи, что обеспечивает взаимное резервирование, повышает надежность генерации и упрощает ремонт и техническое обслуживание оборудования.If it is necessary to increase the output power of a wind farm, it is rational to use the option with three overhead power lines when designing, which provides mutual redundancy, increases the reliability of generation and simplifies the repair and maintenance of equipment.
Технические результаты достигаются созданием новой структуры ветряной электростанции, обеспечивающей:Technical results are achieved by creating a new wind farm structure that provides:
- уменьшение массы ветряных турбин за счет переноса основного электрооборудования в общее устройство подачи (комплексную электроустановку), расположенную в наземной геометрически центральной части ветряной электростанции,- reduction in the mass of wind turbines due to the transfer of the main electrical equipment to a common supply device (complex electrical installation) located in the ground geometrically central part of the wind farm,
- увеличение эффективности преобразования за счет осуществления сетевыми инверторами максимально эффективного отбора мощности (МРРТ), от групп ветряных турбин, а также создание общей электрической нейтрали постоянного тока (М+), что позволяет применять RB-IGBT модули с трехуровневой топологией в автономных сетевых инверторах, которые расширяют спектральный состав выходного напряжения и снижают потери при переключении, - increasing the conversion efficiency due to the implementation of the maximum efficient power take-off (MPRT) by network inverters from groups of wind turbines, as well as the creation of a common electric neutral DC (M + ), which allows the use of RB-IGBT modules with a three-level topology in autonomous network inverters, which expand the spectral composition of the output voltage and reduce switching losses,
- сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети за счет суммарной емкостной энергии блоков конденсаторов большой емкости, конденсаторов сглаживающих фильтров и аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса, формирующих общую буферную мощность,- maintaining the static stability of generation during transients and deep drawdowns of the mains voltage due to the total capacitive energy of high-capacity capacitor banks, smoothing filter capacitors and megawatt-class storage batteries that form the total buffer power,
- повышение надежности осуществляется за счет упрощения систем управления ветряных турбин, гальванической развязки между генераторами ветряных турбин и генерирующими автономными сетевыми инверторами, статически устойчивой генерации за счет значительной буферной емкостной мощности и гибкой системы управления ветряной электростанции, а также за счет исключения из схемы ВЭС локальной распределительной сети (коллекторной сети) постоянного или переменного тока и большого количества генерирующих инверторов или генераторов с трансформаторами среднего напряжения работающих параллельно, за счет применения новой схемы объединения мощностей и централизации всей генерации в сетевых инверторах повышенной мощности.- reliability is increased by simplifying wind turbine control systems, galvanic isolation between wind turbine generators and generating autonomous grid inverters, statically stable generation due to significant buffer capacitive power and a flexible wind farm control system, as well as by excluding local distribution from the WPP scheme network (collector network) of direct or alternating current and a large number of generating inverters or generators with medium voltage transformers operating in parallel, due to the use of a new scheme for combining capacities and centralizing all generation in network inverters of increased power.
Дополнительно в предлагаемом техническом решении присутствуют незаявленные сопутствующие преимущества - исключена функция синхронизации и параллельная работа генераторов или инверторов или трансформаторов среднего напряжения в зависимости от схемы суммирования мощности станции, включение и отключение коммутаторов постоянного и переменного тока ветряной электростанции и коммутаторов переменного тока региональной сети происходит без нагрузки, при этом повышается общий ресурс оборудования, создается возможность применения RB-IGBT модулей с трехуровневой топологией в сетевых инверторах, что ведет к уменьшению размеров фильтров электромагнитной совместимости, установленных между повышающими трансформаторами и первыми блоками фазных датчиков тока и напряжения, снижаются потери на проводимости, и улучшается качество синусоиды. При этом увеличивается число режимов работы ветряной электростанции и повышается общая функциональность, создается гибкая система управления. Значительно снижается стоимость аккумуляторных накопителей электрической энергии повышенной мощности, интегрированных в состав ветряной электростанции, исключаются из их конструкции мощные компоненты; зарядные контроллеры, генерирующие инверторы, фильтры, повышающие трансформаторы и т. д. Снижаются эксплуатационные расходы за счет централизации генерации и переноса всего электрооборудования ветряных турбин за исключением генераторов в наземное здание общего устройства подачи. Повышение качества переменного тока региональной сети электроснабжения достигается за счет того, что сетевые инверторы, выполненные с индивидуальным управлением каждой фазой, могут отдавать преобразованную энергию в наиболее нагруженную фазу сети, выравнивать электрическую нейтраль сетевого трансформатора, уменьшать его асимметрию.Additionally, the proposed technical solution contains undeclared accompanying advantages - the synchronization function is excluded and the parallel operation of generators or inverters or medium voltage transformers, depending on the power summation circuit of the station, switching on and off the DC and AC switches of the wind farm and the AC switches of the regional network occurs without load , while increasing the overall resource of the equipment, it becomes possible to use RB-IGBT modules with a three-level topology in network inverters, which leads to a reduction in the size of the electromagnetic compatibility filters installed between step-up transformers and the first blocks of phase current and voltage sensors, conduction losses are reduced, and improves the quality of the sinusoid. At the same time, the number of operating modes of the wind farm increases and the overall functionality increases, a flexible control system is created. The cost of high-capacity storage batteries integrated into the wind power plant is significantly reduced, powerful components are excluded from their design; charging controllers, generating inverters, filters, step-up transformers, etc. Operating costs are reduced by centralizing generation and moving all wind turbine electrical equipment, with the exception of generators, to the ground building of the common feeder. Improving the quality of alternating current of the regional power supply network is achieved due to the fact that network inverters, made with individual control of each phase, can supply the converted energy to the most loaded phase of the network, align the electrical neutral of the network transformer, and reduce its asymmetry.
Из приведенного выше описания заявляемого изобретения для каждого специалиста в данной области очевидна возможность его реализации, что позволяет считать его соответствующим условию патентоспособности и критерию "промышленная применимость".From the above description of the claimed invention, for each specialist in this field, the possibility of its implementation is obvious, which allows us to consider it as meeting the condition of patentability and the criterion of "industrial applicability".
Заявляемое изобретение способствует созданию ветряной электростанции, обеспечивающей повышение надежности генерации, улучшение массогабаритных показателей ветряных турбин, увеличение эффективности преобразования, сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети. The claimed invention contributes to the creation of a wind power plant that improves the reliability of generation, improves the weight and size of wind turbines, increases the conversion efficiency, maintains the static stability of generation during transients and deep voltage drops in the network.
Перечень и наименования элементов.List and names of elements.
1, 2, 3, 4 - Ветряные турбины1, 2, 3, 4 - Wind turbines
5, 6 - Генераторы5, 6 - Generators
7 - Общее устройство подачи7 - General feeder
8, 9 – Входы общего устройства подачи8, 9 - Common Feeder Inputs
10 – Первая секция шин постоянного тока10 - First section of DC busbars
11 - Вторая секция шин постоянного тока11 - Second section of DC busbars
12, 13 – Входные модули12, 13 - Input modules
14, 15, 16 – Выходные модули14, 15, 16 - Output modules
17 – Модуль управления17 - Control module
18, 36 - Согласующие трансформаторы18, 36 - Matching transformers
19, 37 - Выпрямители переменного тока19, 37 - AC rectifiers
20, 38 - Сглаживающие фильтры20, 38 - Smoothing filters
21, 39 - Датчики постоянного тока21, 39 - DC sensors
22, 40, 71, 73 - Аппараты защиты постоянного тока22, 40, 71, 73 - DC protection devices
23, 41, 60, 61, 62, 63, 64, 65 - Коммутаторы постоянного тока23, 41, 60, 61, 62, 63, 64, 65 - DC switches
24, 42, 51 – Автономные сетевые инверторы 24, 42, 51 - Off-grid inverters
25, 43, 52 - Повышающие трансформаторы25, 43, 52 - step-up transformers
26, 53, 44 - Фильтры электромагнитной совместимости26, 53, 44 - EMC filters
27, 54, 45 - Первые блоки фазных датчиков тока и напряжения27, 54, 45 - The first blocks of phase current and voltage sensors
28, 55, 46, 32, 59, 50 - Коммутаторы переменного тока28, 55, 46, 32, 59, 50 - AC switches
29, 56, 47 - Вторые блоки фазных датчиков тока и напряжения29, 56, 47 - Second blocks of phase current and voltage sensors
30, 57, 48 – Выходы общего устройства подачи30, 57, 48 - Common feeder outlets
31, 58, 49 - Линии электропередачи 31, 58, 49 - Power lines
33 - Сеть электропитания33 - Power supply network
34, 35 - Электрические силовые кабели34, 35 - Electrical power cables
66, 67 - Аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 - Megawatt class battery storage units
68 – Сетевой оператор68 - Network operator
69, 70 - Группы ветряных турбин69, 70 - Wind turbine groups
72, 74 - Блоки конденсаторов72, 74 - Capacitor blocks
75, 76 – Выходы согласующего трансформатора75, 76 - Outputs of the matching transformer
77 – Выход сглаживающего фильтра77 - Anti-aliasing filter output
78 – Управляющая шина78 - Control bus
79 – Конденсатор большой емкости (ионистор)79 - Large capacitor (ionistor)
80, 81 – Предохранители80, 81 - Fuses
82, 83 - Накопители электрической энергии82, 83 - Electrical energy storage
84 – Цепь электрической нейтрали постоянного тока аккумуляторного накопителя электрической энергии мегаваттного класса84 - DC electrical neutral circuit of a megawatt-class electrical energy storage device
Claims (10)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2785256C1 true RU2785256C1 (en) | 2022-12-05 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2326774C1 (en) * | 2006-11-03 | 2008-06-20 | Владимир Григорьевич Яцук | Converting device of the passangers car power supply system |
RU85042U1 (en) * | 2009-02-26 | 2009-07-20 | Закрытое акционерное общество "ИнформТехТранс" | DEVICE FOR POWER SUPPLY OF EQUIPMENT AND SERVICE EQUIPMENT FOR PASSENGER CARS |
CN109546684A (en) * | 2018-12-18 | 2019-03-29 | 辽宁恒顺新能源科技有限公司 | Micro-capacitance sensor power supply system |
CN109378888B (en) * | 2018-12-18 | 2019-09-17 | 辽宁恒顺新能源科技有限公司 | Centralized high-voltage rectifying electric current distribution charging heap |
RU2726735C1 (en) * | 2019-08-23 | 2020-07-15 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Вдм-Техника" | Self-contained power supply system with combined energy storage unit |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2326774C1 (en) * | 2006-11-03 | 2008-06-20 | Владимир Григорьевич Яцук | Converting device of the passangers car power supply system |
RU85042U1 (en) * | 2009-02-26 | 2009-07-20 | Закрытое акционерное общество "ИнформТехТранс" | DEVICE FOR POWER SUPPLY OF EQUIPMENT AND SERVICE EQUIPMENT FOR PASSENGER CARS |
CN109546684A (en) * | 2018-12-18 | 2019-03-29 | 辽宁恒顺新能源科技有限公司 | Micro-capacitance sensor power supply system |
CN109378888B (en) * | 2018-12-18 | 2019-09-17 | 辽宁恒顺新能源科技有限公司 | Centralized high-voltage rectifying electric current distribution charging heap |
RU2726735C1 (en) * | 2019-08-23 | 2020-07-15 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Вдм-Техника" | Self-contained power supply system with combined energy storage unit |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2019419383B2 (en) | Virtual synchronous generator system and method | |
EP2477299B1 (en) | Power Conversion Control With Energy Storage | |
Xiang et al. | Coordinated control of an HVDC link and doubly fed induction generators in a large offshore wind farm | |
Blaabjerg et al. | Power electronics-key technology for renewable energy systems | |
US8587141B2 (en) | Frequency converter | |
Kirby et al. | HVDC transmission for large offshore windfarms | |
Saeedifard et al. | DC power systems: Challenges and opportunities | |
Blaabjerg et al. | Trends in power electronics and control of renewable energy systems | |
EP2944006B1 (en) | Turbine-based energy generation system with dc output | |
Nayar et al. | Power electronics for renewable energy sources | |
CN205670685U (en) | Equipment for transmission electric power | |
EP3373433B1 (en) | A photovoltaic power plant system | |
CN103997231A (en) | Cascaded H-Bridge Converter | |
Choi et al. | Power electronics for renewable energy systems: Wind turbine and photovoltaic systems | |
US10581247B1 (en) | System and method for reactive power control of wind turbines in a wind farm supported with auxiliary reactive power compensation | |
CN112072697B (en) | Modular direct-current microgrid structure reconstruction method and operation control method | |
CN108923450B (en) | Control and operation method of current source type high-voltage direct-current transmission system | |
Islam et al. | Power electronics for renewable energy sources | |
Ramachandran et al. | On the black start of offshore wind power plants with diode rectifier based HVDC transmission | |
Stieneker et al. | Optimum design of medium-voltage DC collector grids depending on the offshore-wind-park power | |
Ricchiuto et al. | Overview of multi-DC-bus solutions for DC microgrids | |
JP2016123196A (en) | Power conversion device | |
RU2785256C1 (en) | Wind power plant | |
Ortmann et al. | Architecture, components and operation of an experimental hybrid ac/dc smart microgrid | |
Beik et al. | Comparison of active and passive 9-phase wind turbine conversion system for an all DC grid |