BG110743A

BG110743A - Система за управление на изходящата мощност във ветроенергийна преобразувателна система

Info

Publication number: BG110743A
Application number: BG10110743A
Authority: BG
Inventors: Владимир ЛАЗАРОВ; Димитър СПИРОВ; Захари ЗАРКОВ; Людмил СТОЯНОВ
Original assignee: Владимир ЛАЗАРОВ; Димитър СПИРОВ; Захари ЗАРКОВ; Людмил СТОЯНОВ
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2012-08-31
Also published as: BG66506B1

Abstract

Системата е приложима във ветроенергетиката. Системата представлява активна електрическа система за управление на изходящата мощност за ветроенергийни преобразувателни системи (ВЕПС) в диапазона на кривата на мощността след нейния максимум. Това е тази част от кривата, която съответства на по-висока скорост на въртене на ротора на турбина (1). По този начин се позволява на електроенергийния системен оператор да регулира прецизно отдаваната в мрежата мощност, без да се прекъсва работата на ветрогенератора (без да се изключва) и се осигурява ефективна работа на ЕЕ системата, дори и при висока концентрация на ВЕПС. Системата съдържа турбина (1), електрически генератор (2), преобразувател (5), устройство за запасяване на енергия (6), както и управляващо устройство (7).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до система за управление на изходящата мощност на електрически генератор във ветроенергийна преобразувателна система (ВЕПС) и ще намери приложение във ветроенергетиката.

Предшестващо състояние на техниката

За да се повиши ефективността на ВЕПС и да се подобри нейното интегриране към електропреносната мрежа, се налага управление на входящата механична мощност и/или изходящата електрическа мощност. Това се осъществява посредством различни по характер системи, които носят общото наименование системи за Следене на Точката на Максимална Мощност (системи СТММ).

Основната цел на СТММ системите е да се извлече максималната мощност на вятъра, налична при различни профили и скорости на вятъра. За да се постигне целта, се прилагат два различни вида системи за управление: а) управление на ъгъла на атака на перките на турбината и б) управление на електромагнитния момент на електрическия генератор.

Чрез а) се постига увеличаване на усвояваната входяща механична мощност при ниски скорости на вятъра (4-10 m/s) или намаляване на входящата механична мощност при много високи скорости на вятъра (над 16-18 m/s). Тази стратегия се използва предимно за предпазване на турбината от механични повреди (откъсване на перката) при високи скорости на вятъра, както и да се синхронизира функционирането по отношение на мощността за различни турбини във ветроенергиен парк, където условията за различните ветрогенератори могат да се различават значително. Системите за СТММ на входяща мощност могат да представляват комбинация от хидравлични и електрически агрегати, които завъртат гондолата и перките на вятърната турбина на различен ъгъл на атака, според заданието на управляващия блок, отчитащ изменението на няколко различни параметъра на вятъра като скорост и посока.

При управление на електромагнитния момент на генератора системата за СТММ б) поддържа даден електромагнитен момент на генератора, при който се извлича максимална мощност. Моментът се управлява посредством електронни преобразуватели. Системата за СТТМ се състои от електрическа уредба, която управлява тока на генератора чрез контролер, който следи предварително зададени криви на мощността за конкретна турбина и определя максималната точка от тези криви при дадена скорост на вятъра.

Поради все по-голямата концентрация на ВЕПС възникват определени проблеми с управление на мощността, отдавана в електроенергийната система, например: поддържане на напрежението и честотата, управление на товара, синхронизиране на работата на ветрогенератори във вятърна централа и др. За преодоляване на тези проблеми е необходимо активно управление на ВЕПС по отношение на мощността, която се отдава към мрежата.

Техническа същност на изобретението

Цел на настоящето изобретение е създаване на електрическа система за активно управление на изходящата мощност на ВЕПС в диапазона на кривата на мощността след нейния максимум. Това е тази част от кривата, която съответства на по-висока скорост на въртене на ротора на турбината. По този начин се позволява на електроенергийния системен оператор да регулира прецизно отдаваната в мрежата мощност, без да се прекъсва работата на ветрогенератора (без да го изключва от мрежата) и без да използва устройството за запасяване на енергия (УЗЕ) (поради липса на свободен капацитет за запасяване или поради дисфункционалност) и се осигурява ефективна работа на електроенергийната (ЕЕ) система дори и при висока концентрация на ВЕПС. Също така се осигурява възможност за активно управление на изходящата мощност и към УЗЕ, като се поддържа специфичен цикъл на заряд и разряд.

Ветроенергийната преобразувателна системата (фиг. 1) се състои от вятърна турбина (1) и електрически генератор (2). Тя се свързва с електрическата мрежа (3) посредством система за управление, състояща се от електронен преобразувател AC-DC (4), чиито променливотокови изводи са свързани към електрическия генератор (2), а постояннотоковите изводи са свързани към DC-AC преобразувател (5), който осигурява връзката с електрическата мрежа (3) и към устройството за запасяване на енергия (6), което може да бъде акумулаторни батерии, суперкондензатори, мини ПАВЕЦ, въртящи се маси, свръхпроводимо електромагнитно устройство (SMES) или комбинация от тези устройства. Последният елемент от системата за управление е управляващото устройство (7), което е свързано към електрическия генератор (2), към електронните преобразуватели (4) и (5) и към устройство за запасяване на енергия (6).

Управляващото устройство (7) се състои от сензорен блок, свързан към управляващ блок за определяне на заданието по мощност, към блока за избор на режим и към регулатори. Изходът на блока за избор на режим е свързан към управляващия блок. Изходът на управляващия блок е свързан към входа на регулаторите. Изходите на регулаторите са свързани към модулаторите, чиито изходи са свързани към електронните преобразуватели (4) и (5) и към устройство за запасяване на енергия (6). Заданието на системния оператор се подава към блока за избор на режим.

Управляващото устройство получава информация за моментното състояние на системата (ток, напрежение в постояннотоковия кръг, електромагнитен момент, скорост на въртене на ротора, скорост на вятъра и др.) посредством сензорния блок. Въз основа на състоянието на устройството за запасяване на енергия и на заданието за мощност на системния оператор се избира режим на работа от блока за избор на режим. Възможни са два режима на работа на системата за управление: а) стандартен режим, при който се търси максималната мощност, независимо от скоростта на вятъра (режим на СТММ) и б) ограничен режим, при който се търси мощност според зададена от ЕЕ системен оператор допустима граница за отдаване в мрежата на мощност под максималната и/или според ограничения режим за работа на УЗЕ (режим на Следене на Ограничена Точка на Мощността - СТОМ). Според зададените критерии за позициониране на работната точка управляващият блок изработва задание за мощността, отдавана от ВЕПС в мрежата. От своя страна, регулаторите сравняват референтните стойности на управляваните величини с моментните им стойности и посредством модулаторите управляват преобразувателите на електрическия генератор (4) и (5) и на устройството за запасяване на енергия (6).

Предимствата на системата, съгласно изобретението, се състоят във възможността за управление на изходящата мощност във ветроенергийна преобразувателна система с цел нейното ограничаване, според зададени от ЕЕ системен оператор и/или УЗЕ условия. Такива условия могат да бъдат висока скорост на вятъра или невъзможност на енергийната система и УЗЕ да поемат максималната електрическа мощност от ВЕПС. По този начин се предотвратява моментното изключване на ветрогенератора и се удължава неговата работа, което е свързано с икономически ползи за собственика на ВЕПС без да се нарушава балансът на ЕЕ мрежа и/или на консуматор, който не е свързан към мрежата. Всичко това се постига по електрически път без да се използват сложни механични системи за управление на мощността, които повишават себестойността, понижават надеждността и водят до по-големи експлоатационни разходи.

Описание на приложените чертежи

Фигура 1 представлява блокова схема на системата за управление на изходящата мощност на ВЕПС;

Фигура 2 представлява принципна схема на система за управление на изходящата мощност на ВЕПС, чието управляващо устройство използва вградени криви за СТОМ;

Фигура 3 представлява принципна схема на система за управление на изходящата мощност на ВЕПС, чието управляващо устройство използва размита логика за СТОМ;

Фигура 4 представлява семейство криви на мощността за конкретен вид турбина при различни скорости на вятъра и е посочени зони на СТОМ;

Примери за изпълнение на изобретението

При представената на фиг. 1 конфигурация системата за управление на изходящата мощност може да използва два различни вида управляващи устройства за СТОМ: а) управляващо устройство, което използва предварително изчислени криви на мощността и чрез математически методи на интерполация изчислява конкретната стойност на мощността, удовлетворяваща режима на работа (фиг. 2) и б) управляващо устройство, което използва размита логика за определяне на желаната изходяща мощност (фиг. 3).

В първия случай (фиг. 2) за конкретен вид турбина се определят предварително семейство характеристики на механичната мощност във функция от скоростта на въртене на ротора и според скоростта на вятъра (фиг. 4). От тези характеристики се дефинират различни точки от дясната част на кривите, при които мощността е по-малка от максималната. Тези точки определят зоните на работа на ВЕПС при ограничен режим и се свързват чрез апроксимация в отделни криви при различните скорости на вятъра. Тези криви се запаметяват в управляващото устройство и се използват от управляващия блок, който чрез интерполация изчислява заданието за мощността на ВЕПС.

Предимства: бързодействие; висока точност на работа.

Недостатъци: усложнен сензорен блок; необходимост от познаване на детайлни технически характеристики на турбината.

Във втория случай (фиг. 3) се използва „интуитивно” определяне на заданието за мощността посредством два входни сигнала (изходна електрическа мощност и скорост на въртене на турбината) и методите на размитата логика. За дефиниране на размитата логика е необходимо познаване на формата на номиналната крива на мощността на вятърната турбина и съставяне на таблица е последователност от действия (if-else), които да изчисляват заданието за мощността, така че да отговаря на режима на СТОМ, която се записва в управляващия блок.

Предимства: аналитичен метод, който не изисква познаване на техническите характеристики на турбината;

Недостатъци: по-бавно действие и намалена точност при бързи промени на скоростта на вятъра..

И при двата типа управляващо устройство е възможна работа при режим на СТММ в случай на изискване за работа при максимална ефективност на турбината.

Claims

Патентни претенции

1. Система за управление на изходящата мощност на ветроенергийна преобразувателна система в режима на следене на точката на ограничена мощност, включваща електронен преобразувател AC-DC (4), чиито променливотокови изводи са свързани към електрическия генератор (2), а постояннотоковите изводи са свързани към DC-AC преобразувател (5), който осигурява връзката с електрическата мрежа (3) и към устройство за запасяване на енергия (6). Последният елемент от системата за управление е управляващото устройство (7), което е свързано към електрическия генератор (2), към електронните преобразуватели (4) и (5) и към устройството за запасяване на енергия (6). Управляващото устройство (7) се състои от сензорен блок, свързан към управляващ блок за определяне на заданието по мощност, към блока за избор на режим и към регулатори. Изходът на блока за избор на режим е свързан към управляващия блок. Изходът на управляващия блок е свързан към входа на регулаторите. Изходите на регулаторите са свързани към модулаторите, чиито изходи са свързани към електронните преобразуватели (4) и (5) и към устройството за запасяване на енергия (6). Заданието на системния оператор се подава към блока за избор на режим.
2. Система, съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че управляващото устройство използва предварително известни криви на механичната мощност при ограничена мощност на вятърната турбина за следене на точката на ограничена мощност.
3. Система, съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че управляващото устройство използва номиналната крива на мощността на вятърната турбина за следене на точката на ограничена мощност.
4. Система, съгласно претенция 1, която се характеризира с използване на: акумулаторни батерии, суперкондензатори, мини ПАВЕЦ, въртящи се маси, свръхпроводимо електромагнитно устройство (SMES) или комбинация от изброените елементи в устройството за запасяване на енергия.

Система за управление на изходящата мощност във ветроенергийна преобразувателна система

Област на приложение на настоящето изобретение е ветроенергетиката. Поради все по-голямата концентрация на ветроенергийни преобразувателни системи (ВЕПС), възникват определени проблеми с интегрирането им в електроенергийната система, като например: поддържане на напрежението и честотата, управлението на товара, синхронизиране работата на ветрогенератори във вятърна централа и др. За да се предотвратят е необходимо активно управление на ВЕПС по отношение на мощността, която се отдава към мрежата и/или към консуматори.

Цел на настоящето изобретение е създаване на активна електрическа система за управление на изходящата мощност на ВЕПС в диапазона на кривата на мощността след нейния максимум. Това е тази част от кривата, която съответства на по-висока скорост на въртене на ротора на турбината. По този начин се позволява на електроенергийния системен оператор да регулира прецизно отдаваната в мрежата мощност, без да се прекъсва работата на ветрогенератора (без да се изключва) и се осигурява ефективна работа на ЕЕ системата дори и при висока концентрация на ВЕПС.

Приложение: 4 фигури

1. Вятърна турбина;

2. Електрически генератор;

3. Електрическа мрежа;

4. AC-DC електронен преобразувател;
5. DC-АС електронен преобразувател;
6. Устройство за запасяване на енергията (акумулаторни батерии, суперкондензатори, мини ПАВЕЦ, въртящи се маси, свръхпроводимо електромагнитно устройство (SMES));
7. Управляващо устройство;