專利名稱:孤立電網以及運行孤立電網的方法
技術領域:
本發明涉及一種具有至少一個能量產生器的孤立電網,該能量產生器與第一發電機耦合。此外還具有可以與內燃發動機耦合的第二發電機。在這類孤立電網中,與第一發電機相連的能量產生器通常是可再生的能量產生器,例如風能設備、水電站等。
背景技術:
這類孤立電網通常已公知,特別是用于為沒有包括在中央供電網內的地區供電,但在這些地區,可以利用可再生的能量源,如風和/或太陽和/或水利等。這些地區可能例如是小島,或者是具有特殊面積、位置和/或氣候條件的偏遠地區或難以進入的地區。然而,在這類地區也需要供電、供水和供暖。為此所需的能量,至少是電能,由所述孤立電網提供和分配。這里需要先進的電運行裝置,以便在該孤立電網中出現電壓波動和/或頻率波動時還具有良好的功能,遵循相對較窄的極限值。
為了能遵循該極限值,除其它之外還采用了所謂的風-柴油系統,其中將風能裝置用作基本能量源。由該風能裝置產生的交流電壓經過整流,接著通過換流器轉換為具有所需電網頻率的交流電壓。通過這種方式,可以產生與風能裝置的發電機轉速無關,并由此與其頻率無關的電網頻率。
因此,可以通過換流器確定電網頻率。在此,由兩個不同的方案可用。一個方案是所謂的自引導換流器,它可以自己產生穩定的電網頻率。然而,這類自引導換流器需要很高的技術要求,也相應地比較昂貴。另一個代替自引導換流器的方案是電網引導換流器,它們用現有電網同步其輸出電壓的頻率。這類換流器比自引導換流器的價格便宜許多,但是始終需要一個電網,利用該電網能夠進行同步。因此,對于電網引導換流器必須能始終利用一個電網成分(Netzbildner),由它提供換流器的電網引導所需的調節量。這類電網成分在公知的孤立電網中例如是由內燃發動機(柴油發動機)運行的同步發電機。
這意味著,內燃發動機必須不斷運行,以運行作為電網成分的同步發電機。從維修要求、燃料消耗以及廢氣對環境的負擔角度,這一點也是缺陷,因為即使當內燃發動機必須只將一小部分可供利用的功率(該功率通常僅為3至5Kw)用于運行作為電網成分的發電機時,燃料消耗也不小,并且每小時消耗幾公升的燃料。
公知的孤立電網還存在一個問題,即必須具有所謂的“傾卸負載”表示的無功負載,消耗由基本能量產生器產生的剩余電能,使得基本能量產生器在斷開負載時不會空轉運行,空轉可能會由于過高的轉速而又導致基本能量產生器的機械損害。特別是對于作為基本能量產生器的風能裝置問題極大。
發明內容
本發明要解決的技術問題是,避免上述缺陷并改善孤立電網的效率。
按照本發明,上述技術問題的解決是通過一種具有權利要求1和16的特征的孤立電網以及一種按照權利要求18對孤立電網進行運行控制的方法實現的。從屬權利要求描寫了優選的擴展。
本發明基于以下知識,即也可以用基本能量產生器(風能裝置)的電能運行具有電網成分功能的第二發電機,從而內燃發動機可以完全斷開,并去除與第二發電機的耦合。在此,第二發電機不再是發電機,而是發動機運轉,其中,為此所需的電能由基本能量產生器或其發電機提供。如果第二發電機和內燃發動機間的耦合是電磁耦合,則可以通過加載基本能量產生器或其發電機的電能來控制該耦合。如果切斷該耦合處的電能,則該耦合斷開。然后,如上所述,在斷開內燃發動機的運行時,對第二發電機加載基本能量產生器的電能,并由該電能進行運行(發動機運轉),從而盡管內燃發動機斷開,電網成分仍然保持運行。一旦需要接通內燃發動機,并由此需要第二發電機的發電機運行時,可以起動內燃發動機,并借助電可控的耦合將其與第二發電機耦合,以運行內燃發動機,從而發電機運行方式的第二發電機可以為孤立電網產生額外的能量。
采用完全可調的風能裝置允許放棄使用“傾卸負載”,因為該風能裝置通過其完全可調性,也就是可變轉速和可變片式調節(Blattverstellung),可以精確產生所需的功率,從而不需要“清除”剩余能量,因為該風能裝置可以精確產生所需功率。這樣,該風能裝置只產生電網中所需的(或者為進一步加載中間存儲器所需的)那樣多的能量,也不必不加利用地清除剩余功率,并且該風能裝置以及整個孤立電網的總效率比采用“傾卸負載”時顯著改善。
在本發明的優選實施方式中,風能裝置包括一個接在換流器前的同步發電機。該換流器由整流器、直流中間電路和變頻器組成。如果在孤立電網中還設置了其它提供直流電壓(直流電流)的能量源,例如光電伏打電池(Photovoltaikelement),則適合的是,將這類諸如光電伏打電池的其它基本能量產生器接到換流器的直流電壓中間電路上,從而可以將附加可再生能量源的能量提供給直流電壓中間電路。由此,可以提高可由第一基本能量產生器控制的功率供應。
為了一方面隨時平衡可用功率的波動和/或提高的功率需求,另一方面可以利用目前尚無需要的可用能量,優選采用可以存儲電能并在需要時快速提供該電能的中間電路。這類存儲器可以例如是電化學存儲器,如蓄電池,也可以是電容器(Caps)或化學存儲器,如氫存儲器,它通過電解存儲用剩余電能產生的氫。為了提供存儲器電能,也將這類存儲器直接或通過相應的充電電路/放電電路接到換流器的直流電壓中間電路上。
能量存儲的另一種形式是對存儲在慣性輪中的旋轉能的轉換。在本發明優選的進一步構造中,該慣性輪與兩個同步發電機耦合,并因此也同樣允許將所存儲的能量用于運行電網成分。
如果孤立電網中的能量消耗比基本能量生成器,如風能裝置的功率輸出容量小得多,則電能可以輸送到所有存儲器。如果基本能量產生器例如是1.5MW額定功率的風能裝置,或是具有10MW額定功率的多個風能裝置的組合,且風向使得該基本能量產生器以額定值運行,盡管如此,孤立電網中的功率消耗仍然明顯比該基本能量產生器的額定功率小得多,則在這樣的運行中(特別是在夜晚和在孤立電網中能量消耗很小的時候),該基本能量產生器這樣運行,即對所有的能量存儲器充電(充滿),以便在孤立電網的功率消耗大于該基本能量產生器提供的功率時,首先一次性(在所述情況下僅短時間的)接通這些能量存儲器。
在本發明優選的擴展中,除了接到第二發電機上的能量部件(內燃發動機和慣性輪)之外,所有能量產生器和中間電路都接到一個以總線形式配置的總直流電壓中間電路上,該中間電路與一個單獨的、電網引導的變流器(換流器)接通。通過在直流電壓中間電路上應用單獨的電網引導的換流器,可以實現價格非常便宜的設置。
此外還具有優點的是,還具有其它(冗余)內燃電動機以及可與該內燃發動機耦合的第三發電機(例如同步發電機),以便在具有比由可再生能量產生器和存儲能量可用的(功率)更大的功率需求時,能通過運行其它(冗余)能量產生系統產生(能量)。
下面示例性地進一步說明本發明的實施方式。其中圖1示出根據本發明的孤立電網的原理圖;圖2示出圖1所示原理的一種變形;圖3示出根據本發明的孤立電網的優選實施方式。
具體實施例方式
圖1示出了安裝在變流器前的風能裝置,由整流器20以及接在直流電壓中間電路28輸出端的換流器24組成,其中該風能裝置通過整流器20接在直流電壓中間電路28上。
第二同步發電機32與換流器24輸出端并聯,該同步發電機通過電磁耦合34又與內燃發動機30相連。換流器24和第二同步發電機32的輸出導線向負載(未示出)提供所需的能量。
為此,風能裝置10產生用于供應負載的功率。通過整流器20對由風能裝置10產生的能量進行整流,并將該能量供應給直流電壓中間電路28。
換流器24由所加的直流電壓產生交流電壓,并將其供應到孤立電網中。因為出于造價的原因換流器24優選地作為電網引導的換流器,因此設置了電網成分,通過它可以同步換流器24。
該電網成分是第二同步電動機32。在以發動機方式運轉的內燃發動機30斷開時,同步電動機32工作,并在此過程中作用為電網成分。在這種運行模式下,運行能量是由風能裝置10產生的電能。風能裝置10必須另外產生這種用于同步發電機32的運行能量,以及整流器20以及換流器24的損耗。
除了作為電網成分的功能之外,第二同步電動機32還要滿足其它目的,例如在電網中產生無功功率,提供短路電流,作用為閃變過濾器(Flickerfilter)以及調節電壓。
如果斷開負載,并由此減小能量需求,則這樣控制風能裝置10,使其產生相應較小的能量,從而放棄使用傾卸負載。
如果負載的能量需求提高,以致不能再只由風能裝置滿足,則可以起動內燃電動機28,并用電壓加載電磁耦合34。由此,耦合34產生內燃發動機30和第二同步發電機32之間的機械連接,發電機32(以及電網成分)提供(現在以發電機運轉方式)所需的能量。
通過合適的風能裝置10大小,可以從風能中產生基本足夠的能量用于供應負載。由此,將采用內燃發動機30以及由此產生的燃料消耗減至最小。
圖2示出了圖1所示的孤立電網的一種變形。其結構基本上與圖1所示的解決方案一致。不同之處在于,在這里作用為電網成分的第二發電機32不屬于內燃發動機30。內燃發動機30與另一個可在需要時接通的第三(同步)發電機36相連。第二同步發電機32始終在發動機運轉方式下作用為電網成分、無功功率產生器、短路電流源、閃變過濾器和電壓調節器。
圖3示出了孤立電網的另一個優選實施方式。在該圖中,示出了三個例如形成一個風能組合的具有第一(同步)發電機的風能裝置10,這些發電機各接在整流器20上。整流器20與輸出端并聯,將由風能裝置10產生的能量供應到直流電壓中間電路28中。
此外示出了三個光電伏打電池12,它們各接在升壓轉換器(Hochsetzsteller)22上。升壓轉換器22的輸出端同樣與直流電壓中間電路28并聯。
此外還示出了形象地表示中間存儲器的蓄電池14。除了電化學存儲器如蓄電池14之外,該中間存儲器還可以是化學存儲器,如氫存儲器(未示出)。可以例如用通過電解獲得的氫填充該氫存儲器。
此外還示出了電容器塊18,可以將合適的電容器用作中間存儲器。這種電容器可以例如是所謂的西門子公司的超級電容(Ultra-Cap),除了具有很高的存儲器容量,該超級電容還以極小的損耗而突出。
蓄電池14和電容器塊18(兩者都可以為多個數量構成)各通過充電電路/放電電路26接在直流電壓中間電路28上。直流電壓中間電路28與一個(唯一的)換流器24(或多個并聯的換流器)相連,其中,換流器24優選設計為電網引導。
配電裝置40(可能與變壓器一起)接在換流器24的輸出端,該配電裝置由換流器24用電網電壓供電。同樣,第二同步發電機32也接在換流器24的輸出端。同步發電機32是孤立電網的電網成分、無功功率產生器、短路電流產生器、閃變過濾器和電壓調節器。
第二同步發電機32與慣性輪耦合。該慣性輪16同樣是中間存儲器,可以例如在電網成分以發動機運轉方式運行期間存儲能量。
此外,可以為第二同步發電機32配置內燃發動機30和電磁耦合34,它們在可再生的能量源產生的功率很小時運行發電機32,并在發電機運轉方式下運行。通過這種方式,可以向孤立電網供應缺少的能量。
用虛線示出屬于第二同步發電機32的內燃電動機30和電磁耦合34,以便清楚地表明第二同步發電機32可以選擇為僅以發動機運轉方式運行為電網成分、無功功率產生器、短路電流源、閃變過濾器和電壓調節器。
特別是,如果設置第二同步發電機32而沒有內燃發動機,則可以設置具有內燃發動機的第三同步發電機36,以便平衡持續時間更長的功率不足。通過靜止狀態的開關44,可以將第三同步發電機36與孤立電網斷開,以便不作為附加的能量負載來增加孤立電網的負擔。
最后,設置了(μp/計算機)控制裝置42,它控制孤立電網的各部件,并允許該孤立電網繼續自動運行。
通過適當地設置孤立電網各部件可以實現,風能裝置10為負載提供基本上足夠的能量。在必要時由光電伏打電池補充所提供的能量。
如果風能裝置10和/或光電伏打電池12提供的功率小于/大于負載所需,則可以調用(放電/充電)中間存儲器14、16和18,以便提供缺少的功率(放電),或存儲剩余的能量(充電)。也就是說,中間存儲器14、16和18平衡不斷波動的可再生能量供應。
在此,重要的是,在哪段時間可以平衡哪些功率波動取決于中間存儲器14、16和18的存儲器容量。對于很大的中間存儲器容量,可以考慮數小時至數天作為時間段。
只有在出現超過中間存儲器14、16和18容量的功率不足時,才需要接通內燃發動機30和第二或第三同步發電機32、36。
在上述實施方式中,基本能量產生器始終是一種利用可再生能量源,例如風或太陽(光)的能量產生器。但是,基本能量產生器自身可以用作另一種可再生能量源,例如氫,也可以是消耗礦物燃料的產生器。
在孤立電網中還可以連接著海水淡化裝置(未示出),從而在孤立電網中的負載需要的電功率小于基本能量產生器產生的電功率時,該海水淡化裝置消耗“剩余的”,也就是已經提供的電功率,以產生可隨后存儲在貯槽中的可用水/飲用水。如果在某些時刻孤立電網的電能消耗很大,以致所有能量產生器只能剛好產生可供利用的功率,則該海水淡化裝置運行到最小程度,必要時甚至完全斷開。該海水淡化裝置也可以由控制裝置42控制。
在電網只需要基本能量產生器的部分電功率時,也可以運行泵水儲能水電站(同樣未示出),借助其將水(或其它流動介質)從較低勢能帶到較高勢能,從而可以在需要時利用該泵水儲能水電站的電功率。該泵水儲能水電站也由控制裝置42控制。
還可以組合海水淡化裝置和泵水儲能水電站,也就是將海水淡化裝置產生的可用水(飲用水)抽送到較高位置,然后可以在需要時用于運行泵水儲能水電站的發電機。
權利要求
1.一種具有至少一個第一能量產生器的孤立電網,該能量產生器利用可再生能量源,其中,該能量產生器優選為具有發電機的風能裝置,其中,具有可與內燃發動機耦合的第二發電機,其特征在于,具有轉速和片式調節可調的風能裝置,以及在所述第二發電機和所述內燃發動機之間的電磁耦合。
2.根據權利要求1所述的孤立電網,其特征在于,所述第一能量產生器具有同步發電機,該同步發電機包括具有直流電壓中間電路的變流器,該中間電路具有至少一個整流器和一個換流器。
3.根據權利要求1或2所述的孤立電網,其特征在于,至少一個連接在所述直流電壓中間電路上的電部件用于利用直流電壓提供電能。
4.根據權利要求3所述的孤立電網,其特征在于,所述電部件是光電伏打電池和/或機械能量存儲器和/或電化學存儲器和/或電容器和/或化學存儲器,作為電中間存儲器。
5.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,一個可與所述第二發電機或一個第三發電機耦合的慣性輪。
6.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,多個可各自與一個發電機耦合的內燃發動機。
7.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,一個控制所述孤立電網的控制裝置。
8.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,一個在所述電部件和所述直流中間電路之間的升壓/降壓變流器(22)。
9.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,在所述電存儲部件和所述直流中間電路之間的充電/放電電路(26)。
10.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,一個慣性輪,該慣性輪具有一個發電機和一個連接在其后的整流器(20),用于向所述直流電壓中間電路(28)供電。
11.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,所有利用可再生能量源的能量產生器(10,12)和中間存儲器(14,16,18)向總直流電壓中間電路供電。
12.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,一個電網引導的換流器。
13.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,所述用于運行電磁耦合的能量由電存儲器和/或由所述基本能量產生器提供。
14.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,當所述基本能量產生器提供的功率大于孤立電網中連接的其它電負載消耗的功率時,在所述孤立電網中接通一個產生可用水(飲用水)的海水淡化裝置/可用水產生裝置。
15.根據上述權利要求中任一項所述的孤立電網,其特征在于,具有一個從所述基本能量產生器獲得電能的泵水儲能水電站。
16.一種具有至少一個第一基本能量產生器的孤立電網,該基本能量產生器用于為孤立電網產生電能,其中,設置了一個具有電網成分功能的同步發電機,其中,在此該同步發電機可工作在發動機運轉方式下,且發動機運轉方式所需的能量由基本能量產生器提供。
17.根據權利要求16所述的孤立電網,其特征在于,所述發電機可以通過耦合與一個內燃發動機連接,當所述基本能量產生器的電功率大于或約等于所述孤立電網中的電消耗功率時,斷開該內燃發動機。
18.一種用于運行控制具有至少一個風能裝置的孤立電網的方法,其特征在于,這樣控制該風能裝置(10),即如果孤立電網中的電功率消耗小于該風能裝置的電能產生能力,則使其一直只產生所需要的電功率。
19.根據權利要求18所述的方法,其特征在于,如果所需功率超過了利用可再生能量源的能量產生器(10,12)產生的功率,則首先將電中間存儲器(14,16,18)用于能量供應。
20.根據權利要求18和19中任一項所述的方法,其特征在于,具有用于運行至少一個第二發電機的內燃發動機,而且,僅當由利用可再生能量源的能量產生器(10,12)和/或由電中間存儲器(14,16,18)提供的功率超過可預先給定的時間段上的可預先給定的門限值時,才接通該內燃發動機。
21.根據權利要求20所述的方法,其特征在于,為了給所述中間存儲器充電,從可再生能量源中產生的能量要大于孤立電網中負載所需的能量。
22.應用一種同步發電機作為電網成分,用于向供電網提供交流電壓的電網引導的換流器,其中,該發電機工作在發動機運轉方式下,并通過慣性輪和/或通過可再生能量產生器產生的電能運行。
全文摘要
本發明涉及一種具有至少一個能量產生器的孤立電網,該能量產生器利用可再生能量源,其中,該能量產生器優選為具有第一同步發電機的風能裝置,該孤立電網還具有帶有至少一個第一整流器和換流器的直流中間電路、第二同步發電機和與該第二同步發電機耦合的內燃發動機。為了提供一種孤立電網,設置了完全可調的風能裝置(10)和在所述第二同步發電機(32)與所述內燃發動機(30)之間的電磁耦合(34),在電網中,只要所述風能裝置在盡可能高的效率下為所有接通負載產生足夠的功率,則可以完全斷開所述內燃發動機。
文檔編號H02J3/30GK1470092SQ01817531
公開日2004年1月21日 申請日期2001年9月5日 優先權日2000年9月7日
發明者阿洛伊斯·沃本, 阿洛伊斯 沃本 申請人:阿洛伊斯·沃本, 阿洛伊斯 沃本