CN1639942A - 岛网络以及操作岛网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有至少一个电力发生器的岛网络，其使用可再生能源，其中所述电力发生器优选为一风力站，其具有一第一同步发生器；一直流电压中间电路，其具有至少一个第一整流器和逆变器；一第二同步发生器和可连接到所述第二同步发生器的内燃机。为了实现岛网络，提供了一完全可控的风力站(10)，和第二同步发生器(32)和内燃机(30)之间的一电磁耦合(34)，只要所述风力站产生足够的电力，用于以最高的可能效率连接的所有负载，则此网络中的内燃机可完全停用。

Description

岛网络以及操作岛网络的方法

技术领域

本发明涉及具有至少一个电力发生器的电岛网络，其连接到一第一发生器。进一步提供了一第二发生器，其可连接到一内燃机。在此岛网络中，连接到第一发生器的电力发生器通常是一再生电力发生器，例如，风力站、水利发电站等。

背景技术

这种岛网络通常是已知的，尤其用于向以下区域提供电力，即未连接到中央供电网络，但是其中可以利用可再生的能源，如，风力和/或太阳能和/或水力等的区域。这些区域，例如，可以是岛屿，或者就其大小、位置和/或气象模式而言具有特征的遥远的或难以到达的区域。当然，必须向这些区域提供电力、水或热能。这些系统所需的能量，至少是电能，是通过岛网络提供和分配的。然而，为使无故障运行，现代电子设备需要对所述岛网络中的电压和/或频率波动维持相当严格的极限值。

为了能够维持这些极限值，其中，采用了所谓的风-柴油机(系统，风力站用作其基本的能源。由风力站所产生的交流电被整流并经一逆变器转换成具有所要求的网络电力频率的交流电。这一方法产生了独立于风力站发生器的每分钟转数(rpm)，从而独立于其频率的网络功率频率。

因此，网络功率频率由逆变器决定。这里，可以利用两种不同的变型。第一变型是所谓的自整流逆变器，其本身可产生一稳定的网络功率频率。然而，这种自整流逆变器需要高技术费用因此相当昂贵。自整流逆变器的一个变型是网络换相逆变器，其使其输出电压的频率与既存网络同步。这种逆变器被认为比自整流逆变器更为经济，但是总是需要一个网络，使其可与之同步。因此，对于网络换相逆变器来说，总是需要一网络发生器，其为逆变器的网络控制提供必要的控制参数。这种网络发生器在已知的岛网络中可以是，例如，由内燃机(柴油发动机)驱动的同步发生器。

这意味着内燃机必须连续运转，以驱动作为网络发生器的同步发生器。从维护要求、燃料消耗和向周围环境增加废气来看，这也是不利的，因为即使内燃机只需提供其可利用的一小部分电力来驱动作为网络电力发生器的电机，能量通常只有3-5kW，然而燃料消耗并非无关紧要，而是每小时相当于几升汽油。

现有的岛网络的另一问题是，必须提供所谓的倾泻负载(dumploads)，这消耗了由主电力发生器所产生的过量电能，使得当关掉负荷时，主电力发生器并不处于空转运行，这反过来会由于rpm(每分钟转数)过高而导致对主电力发生器的机械损伤。这对于风力站作为主电力发生器的情况来说更成问题。

发明内容

本发明的任务就是防止岛网络(island network)的上述缺点和提高岛网络的效率。

该任务是根据发明的具有权利要求1至16所述特征的电岛网络和权利要求19所述的岛网络操作控制方法来实现的。在从属权利要求书中描述了有优势的改进。

本发明是基于以下知识，即，具有网络发生器功能的第二发生器也可由主电力发生器(风力发电站)的电能来驱动，从而可完全关闭内燃机并将其与第二发生器分离。这里，第二发生器不再处于发生器操作，而是处于发动机操作，其中用于该功能的电能是由主电力发生器或其发生器传递的。如果第二发生器和内燃机之间是电磁耦合，则该耦合可通过从主电力发生器或其发生器提供电力来激活。如果在耦合时切断电源，则该耦合断开。接着，由上述主电力发生器的电能对第二发生器供电，并进行驱动(发动机操作)，用于去激活内燃机的操作，使得尽管内燃机被去激活，网络发生器仍然处于操作中。一旦激活内燃机，且由此要求第二发生器的发生器操作，则内燃机可被启动，并通过电激活耦合与第二发生器连接，从而该第二发生器可在该发生器操作下为电岛网络提供额外能量。

使用完全可控的风力站允许消除“倾泻负载”(dump loads)，这是因为风力站能够通过其完全可控性产生需要的电力，由此获得可变的转数和可变叶片位置，从而由于风力站产生了确切数量的所需电力，因而不需要“处置”过剩的能量。从而，使得风力站仅产生了网络中所需的能量(或中间存储设备充电所需的能量)，不需要无用地消耗过量的电力，风力站乃至整个岛网络的总效率大大优于使用倾泻负载的情况。

在本发明的一个优选实施例中，风力站包含一同步发生器，其连接于一逆变器之后。该逆变器包含一整流器，一直流电压中间电路，和一频率变流器。如果在该岛网络中包含提供另一直流电压(直流电流)的另一能源，例如，一光电元件，则其优点在于，这样的其他主电力发生器，例如，光电元件，连接到逆变器的直流电压中间电路，使得附加的可再生能源的能量被引入到直流电压中间电路。该构造可增加由第一主电力发生器产生的可用的电力。

一方面，为均衡可利用的电力的波动和/或自发的增加电力的要求，及另一方面，为能够使用可利用的能量，该能源在此刻不需要，则最好提供中间存储设备，用于存储电能且可根据需要迅速放出该电能。此存储设备可以是，例如，电化学存储设备，如蓄电池，也可以是电容器或者化学存储设备如，氢存储设备，其存储由过量电能的电解产生的氢气。为了释放其电能，这些存储设备也被直接或通过相应的充电/放电电路连接到逆变器的直流电压中间电路。

另一种形式的能量存储是转化成存储在飞轮中的转动能量。在本发明的一优选实施例中，该飞轮被连接到第二同步发生器，从而也允许存储的能量被用于驱动网络发生器。

当岛网络中的能量消耗低于主电力发生器，例如，风力站的功率容量时，可向所有的存储设备提供电能。例如，如果主电力发生器是具有1.5MW额定功率的风力站，或是具有几个10MW额定功率的风力站的风阵列，且风型使得主电力发生器可运行于通常模式，尽管岛网络中的能源消耗明显小于主电力发生器的额定功率，在这种模式下(特别是夜间和岛网络中低消耗时)，控制主电力发生器，使得所有的能量存储设备充电。这样，能量存储设备仅在某些情况下，在岛网络中的能源消耗大于主电力发生器所产生的可利用的电力时被暂时地激活。

在本发明的一个优选实施例中，除了连接到第二发生器(内燃机，飞轮)的能量元件之外，所有的电力发生器和中间存储设备都连接到一公共直流电压中间电路，其构造类似为一总线形式，且以一单独的网络换相变流器(逆变器)终止。在直流电压中间电路上使用单独的网络换相逆变器是非常经济的一种设置。

其进一步的优点是，当电力需求大于从可再生能量电力发生器和存储的电力得到的电力时，提供其他(冗余)内燃机以及可连接到这些内燃机的第三发生器(例如，同步发生器)，以通过运行所述其他(冗余)发生器系统来产生电力。

一般的，网络中的功率频率可用于确定可利用的电力是否与需要的电力一致。电力供应过剩时，网络功率频率增加，而电力供应不足时，网络功率频率下降。然而，这种频率偏离显出滞后，且随着网络复杂度的增加，补偿这种频率偏离变得越来越困难。

为了达到对电力的快速适应，一种能够检测网络中所需电力的装置被连接到母线上。这样，可识别电力需求或电力供应过量，并在网络功率频率基本显出波动之前迅速进行补偿。

附图说明

下面，作为示例更加详细地说明本发明的实施例。其中，

图1是根据本发明的岛网络的电路框图；

图2是示于图1中的原理图的一种变形；

图3是根据本发明的岛网络的一优选实施例。

具体实施方式

图1显示了具有下行变流器的风力站，其由整流器20和逆变器24组成，其中，所述风力站借助于所述整流器20被连接到一直流电压中间电路28，所述逆变器24连接到所述直流电压中间电路28的输出。

与逆变器24的输出平行，连接有第二同步发生器32，其又通过电磁耦合34连接到内燃机30。逆变器24和第二同步发生器32的输出线向负载(未示出)提供所需的能量。

这样，风力站10产生提供到负载的电力。由风力站10产生的电力经整流器20整流，并引入到直流电压中间电路28。

逆变器24从所施加的直流电压产生交流电压，并将其提供给岛网络。因为逆变器24由于成本的原因优选实现为网络换相逆变器，所以引进一网络发生器，逆变器24可与其同步。

该网络发生器是所述第二同步发生器32。该同步发生器32为处于发动机操作的去激活的内燃机工作，且在此处作为网络发生器。在该运行模式下，驱动能量是来自风力站10的电能。同步发生器32的驱动能与整流器20和逆变器24的消耗一样也是由风力站10产生的。

除网络发生器的功能之外，所述第二同步发生器32作为闪烁滤波器执行其他任务，如网络中的无功功率的产生，短路电流的供应，以及执行电压调节的任务。

如果关断负载，从而能量需求降低，则控制风力站10，使之相应地产生较少的能量，以便可以不使用倾泻负载。

如果负载的能量需求增加太多，使得风力站不能再满足该要求，则可启动内燃机28并向电磁耦合34施加一电压。这样，连接34在内燃机30和第二同步发生器32之间产生机械连接，且发生器32(和网络发生器)提供(当前发生器操作中)所需的能量。

通过适当确定风力站10的尺寸，可实现自风力向负载提供平均起来足够的能量。因此内燃机30的使用及其所导致的燃料消耗可减到最小。

图2中，显示了图1中所示的岛网络的变型。该设置基本上对应于图1所示的方案。不同之处是没有内燃机30被分派到作为网络发生器的第二发生器32。内燃机30被连接到另一第三(同步)发生器36上，该发生器36可根据需要启动。这样第二同步发生器32可在电机操作中恒定地作为网络发生器，无功功率发生器、短路电流源、闪烁过滤器(flickerfilter)和电压调节器来操作。

图3中显示了岛网络的另一优选实施例。该图显示了具有第一(同步)发生器的3个风力站10，其形成例如一风阵列，每个风力站10连接到整流器20。整流器20并行连接到输出侧，且风力站10所产生的能量被供给到直流电压中间电路28。

此外，示出了一光电元件12，其每个都连接到一升压变流器22。升压变流器22的输出侧并行连接到直流电压中间电路28。

另外，示出了一蓄电池块14，其象征性地代表一中间存储设备。除了象蓄电池14那样的电化学存储设备之外，该中间存储设备还可为一化学物，以及一氢存储设备(未显示)。氢存储设备可涂一层例如通过电解得到的氢。

紧挨着该蓄电池块14示出一电容器块18，其具有使用合适的电容器作为中间存储设备的能力。这些电容器可以是，例如，西门子的称为Ultra-caps的电容器，其特征是具有高存储容量和低损耗。

蓄电池块14和电容器块18(两者均可有几个实例)每个通过充电/放电电路26连接到直流电压中间电路28。直流电压中间电路28终止于一(单个)逆变器24(或多个并行连接的逆变器)，其中逆变器24最好以网络换相的形式来体现。

在逆变器24的输出侧，连接有一分配器(优选为一变压器)40，其由逆变器24供给网络电压。在逆变器24的输出侧，还连接有第二同步发生器32。该同步发生器32是岛网络的网络发生器，无功功率和短路电流发生器，闪烁过滤器，和电压调节器。

一飞轮16连接到第二同步发生器32。该飞轮16也是一中间存储设备，能够在网络发生器的发动器驱动操作中存储能量。

另外，内燃机30和电磁耦合34驱动发生器32并当自可再生能源来的电力较少时作为发生器来运行，该内燃机30和电磁耦合34可被指派到第二同步发生器32。这样，可将缺失的能量供应到岛网络。

分配到第二同步发生器32的内燃机30和电磁耦合34用虚线标出，以解释第二同步发生器32或者可以仅运行于发动机模式(优选地与作为中间存储设备的飞轮一起)，作为网络发生器，无功功率发生器，短路电流源，脉动滤波器，和电压调节器。

特别是当没有向第二同步发生器32提供内燃机30时，可提供带有内燃机的第三同步发生器36来补偿长久持续的电力缺口。该第三同步发生器36在停止模式中可通过一开关设备44从岛网络分离，以便不会将岛网络作为附加能量负载来加载。

最后，提供一(μP/计算机)控制器42，其控制岛网络的独立元件从而允许岛网络的必要的自动化操作。

通过适当设计岛网络的独立元件，风力站10平均起来可向负载提供足够的能量。该能量提供优选由光电元件来补足。

如果由风力站10和/或光电元件12提供的电力小于/大于负载的需求，则可使用(放电/充电)中间存储设备14，16，18来提供(放电)缺失的电力或存储(充电)过剩的能量。因此中间存储设备14，16，18平滑来自可再生能源的持续的供电波动。

这里，在什么时间间隔可均衡补偿什么电力波动基本上取决于中间存储设备14，16，18的存储容量。对于超大尺寸的中间存储设备来说，该时间间隔可设置为几个小时到几天。

仅在有功率间隙超出中间存储装置14，16，18的容量的情况下，中间内燃机30和第二或第三同步发生器32，36必须被打开。

在对上述实施例的说明中，主电力发生器总是使用可再生能源，如风或阳光(日光)。然而，主电力发生器也可用其他可再生能源，例如，水力来操作，或者其也可是消耗化石燃料的电力发生器。

也可将一海水淡化厂(未示出)连接到岛网络，因此，在岛网络的负载需要的电能远远小于主电力发生器可提供的电能时，所述海水淡化厂可消耗“过剩”，即，仍可利用的电力来产生生活用水/饮用水，然后可将其存储在蓄水池中。如果在某些时候岛网络的电能消耗过大，使得所有的电力发生器都几乎不能提供该电力，则该海水淡化厂的运行降到最小，甚至完全无效。海水淡化厂可由控制器42来控制。

在主电力发生器的电力仅部分地被电网络所需要时，也可运行一未示出的泵存储设备，通过它将水(或其他液体介质)从低势能带到高势能，从而当需要时，可使用泵存储设备的电能。也可用控制器42来控制所述泵存储设备。

将海水淡化厂和泵存储设备结合使用也是可能的，因为中海水淡化厂生产的生活用水(饮用水)被用泵抽到较高的位置，需要时则可用于驱动泵存储设备的发生器。

描述并在图3中显示了本发明的另一变形，也可以执行根据本发明的解决方式的其他变形。例如，发生器32和36(见图3)的电力可经整流器整流后提供到母线28。

然后，如果由主电力发生器10或中间存储设备12，14，16，18提供的电力过少或尽可能地多，则启动内燃机30，这又驱动发生器32，36。内燃机在岛网络内向岛网络提供尽可能多的电能，但同时所述内燃机也可向中间存储设备16，从而依次向飞轮充电，且为了输送电能，直流电流中间电路28中的发生器32和36也能给这里示出的中间存储设备14，18充电。这种解决方案的优点在于，具体地，内燃机可有利地运行，即，最优操作，此时废气也保持尽可能的低，且rpm(每分钟转数)处于最优范围，使得内燃机的消耗处于最佳的可能范围。对这样的操作，当，例如，中间存储设备14，18或16被尽可能多地充电后，可停止内燃机，如果电力发生器10，12不能提供足够的能量，则可以使用尽可能多的存储在存储设备14，16，18中的能量来实现网络供电。如果中间存储设备14，16，18的充电状态低于一临界值，则内燃机启动，由内燃机30提供的能量被提供到直流电流中间电路中的发生器32和36，且中间存储设备14，16，18也被依次充电。

在上述变形中，特别要注意内燃机可运行于最优rpm范围，这提高了其整体操作。

这里，常规整流器(例如，整流器20)下游连接到发生器32，36，籍此将电能供给直流电流中间电路28。

应用中间存储设备14的一种形式是蓄电池块，例如，电池。中间存储设备的另一种形式是电容器块18，例如，西门子的Ultracap型电容器。需要在本发明中进行强调的是，上述中间存储设备的充电特性和基本的放电特性是相当不同的。

由此，如同其他常规电池一样，对于每个充电/放电周期，蓄电池都会有容量上的损失，尽管此损耗较小，但却是不可逆的。对于非常频繁的充电/放电周期，在较短时间内会导致容量的较大损失，则根据应用的不同，有必要以相当快的时间更换该中间存储设备。

动态装载的中间存储设备，如Ultracap型电容器存储设备或飞轮存储设备没有上述的问题。然而，Ultracap型电容器存储设备或飞轮存储设备就单个千瓦-小时而言比常规的蓄电池块或其他电池存储设备昂贵得多。

不同于应用可再生原材料或太阳能，很少能可靠地预测风能。这样，可尝试用可再生源产生尽可能多的能量，且如果不能消耗该能量，则将其存储于具有最大可能的存储容量的存储设备中，以便需要时可利用且可对其放电。自然的，所有的能量存储设备都设计为最大尺寸，以便能够在没有电力的情况下持续尽可能长的时间。

蓄电池块型中间存储设备和Ultracap型中间存储设备或飞轮存储设备的另一差别在于，Ultracaps和飞轮存储设备的电力可在很短时间内无损释放，而蓄电池块型中间存储设备不具备如此高的放电率(DE/DT)。

因此，本申请的发明的一个方面还在于，可用根据其操作性能和不同任务的成本来使用不同类型的不同的中间存储设备。根据上述说明，看来使用飞轮存储设备型或具有最小容量的Ultracap的中间存储设备以在没有能源的情况下桥接尽可能长的时间是不明智的，但是这些存储设备确实具有它们的优势，尤其是能够在没有能源的情况下对中间存储设备短无害地桥接多个时段，尽管它们在没有电力的情况下桥接长时间非常昂贵。

使用蓄电池块型或电池存储设备的中间存储设备进行频率调节也是没有意义的，因为持续的充电/放电周期会非常快速地，即在几星期或至少数月之内，导致容量上的不可逆损失，并强制已经提到的此存储设备的更换。然而，蓄电池块型或其他电池存储设备的中间存储设备可用于形成“长期存储设备”，其可承担分钟级(例如，5-15分钟范围内)损失期间的供电，而动态承载Ultracap型中间存储设备和/或飞轮存储设备用于频率调节，即，用于降低在网络提供额外能量的频率，或增加在网络存储能量的频率。

因此，在网络中，尤其是在岛网络中，如果成本仍然合理，则使用不同类型的中间存储设备的不同方式有助于网络的频率稳定，且也能可靠地桥接发生器侧电能产生中的几分钟的电力损失。通常，通过不同类型的中间存储设备的不同使用，一方面，就频率稳定性而言，另一方面，就若干分钟时间范围内的电力供应而言，当发生器侧可利用的能量不充分时，网络受到保护。

由于发生器侧的单个元件受到控制器设备42的控制，且该控制器设备还认识到必须执行什么类型的网络支持测量，通过对中间存储设备的相应的控制，可使用不同的类型；第一，是用于稳定网络电力频率的中间存储设备，第二，是用于在发生器侧没电的若干分钟范围的时间进行桥接的另一中间存储设备。

因此，在实际应用中，蓄电池块型或电池型设备的中间存储设备比Ultracap中间存储设备或飞轮存储设备提供更大的充电容量是有利的。这样，举例来说，蓄电池型或电池存储设备的中间存储装置的容量可比Ultracap或飞轮存储设备型中间存储装置的容量大5到10倍。

Claims (25)

1.具有至少一个第一电力发生器的电岛网络，其使用一可再生能源，其中，该电力发生器最好是具有一发生器的风力站，其中，提供一第二发生器，其可连接至一内燃机上，其特征在于，可根据风力站的每分钟转数和叶片位置来控制风力站，且所述风力站具有一母线，用于将产生的电力供给到该网络中，且提供一连接到母线上的设备，用于检测网络中需要的电力。

2.根据权利要求1的电岛网络，其特征在于，所述第一电力发生器具有一同步发生器，其包含一具有直流电压中间电路的变流器，所述直流电压中间电路具有至少一第一整流器和一逆变器。

3.根据权利要求1或2的电岛网络，其特征在于，连接到所述直流电压中间电路的至少一个电元件用于供给具有直流电压的电能。

4.根据权利要求3的电岛网络，其特征在于，所述电元件是作为电子中间存储设备的光电元件和/或机械能量存储设备和/或电化学的存储设备和/或电容器和/或化学存储设备。

5.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，飞轮可被连接到所述第二或第三发生器。

6.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，具有几个内燃机，其每一个都可耦合到一发生器。

7.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，具有一个控制器，用于控制所述岛网络。

8.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，在所述电元件和直流电压中间电路之间具有一升压/降压变流器(22)。

9.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，在所述电存储元件和直流电压中间电路之间具有充电/放电电路(26)。

10.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，具有带有一发生器的飞轮和一下游整流器(20)，用于向直流电压中间电路(28)提供电能。

11.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，所有的电力发生器(10，12)使用可再生能源，且中间存储设备(14，16，18)对一公共直流电压中间电路供电。

12.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，具有一网络换相逆变器。

13.根据上述权利要求之一的电岛网络，其特征在于，用于操作电磁耦合的能量通过电存储设备和/或主电力发生器获得。

14.根据上述权利要求之一的岛网络，其特征在于，当主电力发生器提供的电力大于连接到所述岛网络的其他电负载的电力消耗时，将一海水淡化/生活用水生产厂连接到所述岛网络，其中，该厂生产生活用水(饮用水)。

15.根据上述权利要求之一的岛网络，其特征在于，提供了一泵存储设备，其从主电力发生器接收其电能。

16.具有至少一个第一主电力发生器的电岛网络，所述电力发生器用于产生用于电岛网络的电能，其中提供了一同步发生器，其具有网络发生器的功能，其中，所述同步发生器在这里可工作于发动机模式，且发动机操作所需能量通过主电力发生器获得。

17.根据权利要求16的岛网络，其特征在于，所述发生器可连接到一内燃机上，当主电力发生器的电力量大于或近似等于岛网络中的电力消耗量时，其被无效。

18.根据上述权利要求之一的岛网络，其具有一母线，用于将产生的能量供给到网络中，其特征在于，具有一附接于该母线的设备，用于检测网络中所需的电力。

19.具有至少一个风力站的电岛网络的运行控制的方法，其特征在于，控制所述风力站(10)，使得只要网络中的电力消耗小于风力站的发电量，所述风力站(10)总是仅产生所需的电能。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于，当不能满足所需的电力时，使用可再生能源的电力发生器(10，12)首先使用电子中间存储设备(14，16，18)来释放能量。

21.根据权利要求19和20之一的方法，其特征在于，提供一内燃机来驱动至少一个第二发生器，且仅当由使用可再生能源的电力发生器(10，12)和/或由电子中间存储设备(14，16，18)所释放的电力低于一预定时期的预定阈值时接通所述内燃机。

22.根据权利要求21的方法，其特征在于，为了从可再生源向中间存储设备充电，需要产生大于网络中负载所需的能量。

23.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，为了克服频率不稳定或网络中功率频率偏离其期望值，优选使用电子中间存储设备来释放能量，所述电子中间存储设备可被频繁快速地充电或放电而没有显著的容量的不可逆损失。

24.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，当网络所需的电力不能完全由可再生能源释放或其能源不充分时，优选使用蓄电池块型或电池存储设备的中间存储设备来支持网络。

25.使用一同步发生器作为用于网络换相逆变器的网络发生器，用于将交流电流供给到一供电网络，其中所述发生器工作于发动机模式下，且所述发生器的驱动是通过飞轮和/或通过从可再生电力发生器提供电能来实现。

Images