RS55105B1 - Podešavanje ugla nagiba lopatica vetroturbine u hitnim situacijama - Google Patents

Description

OPIS PRONALASKA

Pronalazak se odnosi na uređaj za podešavanje ugla nagiba lopatica vetroturbine shodno patentnom zahtevu 1.

Lopatice savremenih vetroturbina kapaciteta većeg od 500 kW sa pretpostavljeno horizontalno konstruisanim vratilom rotora imaju lopatice rotora koje mogu da se podešavaju. Zahvaljujući tome, kontaktna površina može da se podesi prema brzini vetra i da se odredi približno konstantan kapacitet vetroturbine. Vetroturbine ovog tipa tako mogu da se eksploatišu kada je brzina veća od nominalne čak pri relativno velikim brzinama vetra. Kada je brzina veća od nominalne za koju je vetroturbina konstruktivno projektovana, potrebno je ograničiti kapacitet. Ovo se ostvaruje podešavanjem ugla nagiba lopatica rotora u pravcu položaja pera što dovodi do negativnog uticaja na efikasnost rotora. Na ovaj način može da se izbegne oštećenje vetroturbina izazvano preopterećenjem.

Drugi scenario neplaniranog preopterećenja vetroturbine je potencijalni nestanak električnog opterećenja zbog glavnog generatora. Uzroci za ovu hitnu situaciju mogu, na primer, da budu kvar elektromreže, pretvarača učestalosti ili i samog glavnog generatora. Usled toga vratilo rotora može da se obrće veoma brzo zato što sada nema kontra obrtnog momenta glavnog generatora. Rezultat bi tada bio mehaničko preopterećenje vetroturbine zbog nedopustivo velikih brzina rotiranja. Da bi se izbegao takav scenario preopterećenja, lopatice rotora, ili i samo jedna lopatica rotora, okreću se u takozvani položaj pera. Preimućstvo je da se sve lopatice rotora okrenu niz vetar. U isto vreme, bilo prednja ivica ili zadnja ivica profila lopatica rotora okrenuta je uz vetar tako da na profilu lopatice rotora ne može da nastane dalji pogonski uzgon.

Uređaj za podešavanje ugla lopatica rotora zakretanjem do pero položaja može biti bezbedno primenjen shodno tehničkom smislu. Tako bi trebalo da se obezbedi da, na primer, čak i u hitnoj situaciji nestanka napajanja iz mreže bude garantovano energetsko napajanje pogona za zakretanje lopatica rotora. Iz ovog razloga, poznato je da nezavisan pomoćni izvor energije u obliku nekog akumulatora može da se koristi kao skladište energije koje obezbeđuje energiju izvršnim-radnim mehanizmima kada se desi neki kvar.

U hitnim situacijama, npr. kada nestane napajanje električnom energijom, trebalo bi osigurati da položaj lopatica rotora može da se podešava. Ovo je takođe neophodno, na primer, kada na krila deluju suviše jaki vetrovi. Motor ili motori za podešavanje položaja lopatica rotora vetroturbine napajaju se, npr. preko pretvarača učestalosti. Sistem elektro pogona sastoji se od ispravljača, električnog međukola i invertora. Sistem elektropogona napaja se preko elektroenergetske napajne mreže. Za rad u interventnim uslovima podešavanja lopatica rotora vetroturbine, međukolo pretvarača učestalosti napaja se preko akumulatorske baterije. Tako je osiguran nezavisan rad odvojeno od mreže. Akumulator može da se puni preko adaptera električne energije koji je neki ispravljač. Sa svim sistemima elektropogona koji su danas u upotrebi, direktno vezivanje skladišta energije na međukolo ili direktno na motor je nepovoljno. Postoje za dimenzionisanje od odlučujuće važnosti brzina podešavanja ugla lopatica rotora u slučajevima kada nestane napajanje iz mreže, tj. u radu u interventnim uslovima, sistem mora da se dimenzioniše prema naponu akumulatora. Upravo je baš onda kada dođe do pada opterećenja potrebna najveća brzina zakretanja da bi se vetroturbina zaštitila od nedozvoljene prekomerne brzine. Trenutno, u upotrebi su akumulatorske baterije čiji nominalni napon Čini samo neznatan deo nominalnog napona međukola (U x V2). Da bi se ograničila početna struja mreže kada se vrati mrežni napon, za smanjenje napona se koriste kontrolisani ispravljači ili transformatori. Svi ovi sistemi imaju, na primer, lošu stranu što se potencijalni napon međukola (U • V2) koristi samo u maloj meri pošto je naponska mreža akumulatora odlučujuća za dimenzionisanje pogona u interventnom režimu rada. Pošto potrebni pogonski kapacitet sada mora da se snabde većom snagom, invertor i motor kao i utikač i kabl moraju da se dimenzionišu za znatno veće struje. Ove znatno veće struje uzrokuju povećani gubitak snage (I<2>• R) koji dovodi do kasnijih problema vezano za odvođenje toplote iz upravljačkih ormana.

Uređaj za podešavanje položaja lopatica rotora vetroturbine je poznat iz DE 100 09 472 A1 koji predviđa sredstvo za nužno napajanje električnom energijom zakretnog motora koji podešava ugao nagiba lopatica rotora. Sredstvo za nužno napajanje električnom energijom sastoji se od generatora sa stalnim magnetom koji električnim kablovima može da se priključi na zakretni motor. Za aktiviranje rada u havarijskim uslovima predviđen je jedan kontaktor. Slabost poznatog mehanizma je u tome što je

za rad u havarijskim uslovima potrebna dodatna mašina.

Iz WO 2005/017350 A1 poznat je uređaj za podešavanje ugla nagiba lopatica rotora vetroturbine sa zakretnim motorom i sredstvom za nužno napajanje. Prilikom rada u interventnim uslovima, električna energija uskladištena u spremištu energije sredstva za nužno napajanje isporučuje se zakretnom motoru preko pretvarača učestalosti tako da lopatice rotora mogu da se dovedu u položaj minimalnog ugla nagiba.

Cilj ovog pronalaska je da dalje razvije uređaj za podešavanje ugla nagiba lopatica vetroturbine tako da na jedan jednostavan način i nominalni napon bude takođe prisutan na međukolu tokom interventnog režima rada iako je spremište energije dimenzionisano za niži nominalni napon.

Da bi se ovaj cilj postigao, pronalazak sadrži osobenosti opisane u patentnom zahtevu 1.

Posebna prednost pronalaska sastoji se u činjenici da postavljanjem jednog konvertora u uređaj za nužno napajanje energijom može i u interventnim uslovima rada da se obezbedi napon međukola koji odgovara barem onom naponu međukola koji ono ima tokom normalnog rada iako je nominalni napon spremišta energije manji od nominalnog napona međukola. Tokom rada u interventim uslovima, konvertor shodno pronalasku vrši transformaciju priključnog napona spremišta energije do napona međukola i tako obezbeđuje podešavanje lopatica rotora bez negativnog uticaja na brzinu i obrtni momenat. Zahvaljujući održavanju napona međukola, tokom normalnog rada ne dolazi ni do kakvih oštrih strujnih impulsa na ulazu električne energije iz mreže. Aktiviranjem konvertora, spremište energije i konvertor mogu da se testiraju tokom normalnog rada sa maksimalnom strujom. Uređaj za nužno napajanje prema ovom pronalasku savršeno je pogodan da pogoni sisteme koji kao zakretne motore imaju motore jednosmerne struje i trofazne struje.

Ako se, na primer, tokom interventnog rada motor jednosmerne struje direktno prebaci na međukolo on čak i tada može da nastavi da se napaja varijabilnim naponom u opsegu nominalnog napona spremišta energije sve do maksimalnog napona međukola čime se tako omogućava regulisanje ograničene brzine obrtanja tokom rada u uslovima hitnosti. Prema pronalasku, konvertor uređaja za nužno napajanje sadrži pretvarač za podizanje napona. Dalje, konvertor sadrži pretvarač za spuštanje napona preko koga je spremište energije vezano na priključak za električnu energiju iz mreže tako da spremište energije može da se puni tokom normalnog rada. Shodno pretpostavljenom izvođenju pronalaska, uređaj za napajanje iz mreže i uređaj za nužno napajanje su međusobno povezani u sistem sa zajedničkim strujnim kolom. Preimućstvo je što to kao rezultat daje jednostavnu konstrukciju kola.

Prema pretpostavljenom izvođenju pronalaska, predviđen je jedan pretvarač za spuštanje napona tako da se, kada je elektronski prekidač u položaju „otvoren", direktan protok energije pušta iz spremišta energije u strujno međukolo. Kada je prekidač u položaju „zatvoren", električna energija akumulirana u akumulacionoj prigušnici ide u međukolo. Dovođenje elektronskog prekidača u otvoren položaj i obratno nastaje u zavisnosti od donje ili gornje granične vrednosti struje. Ova granična vrednost struje je pretpostavljeno specificirana i mogu da je detektuju upravljački elementi elektronskog prekidača.

Prema daljoj razradi pronalaska, predviđena je jedna regulaciona i/ili upravljačka jedinica tako da ako se u međukolu otkrije prisustvo nominalnog napona koji daje električna energija iz mreže, prekidač se automatski pomera u otvoren položaj i time završava interventni režim rada.

Pogodno, zamajna dioda pretvarača za podizanje napona deluje kao blokadna dioda koja tokom normalnog rada sprečava da se spremište energije prazni preko međukola.

U skladu sa daljom razradom pronalaska, spremište energije je preko pretvarača za spuštanje napona povezano na napajanje električnom energijom iz mreže tako da tokom normalnog rada spremište energije može konstantno da se puni.

U skladu sa daljom razradom pronalaska, spremište energije je konfigurisano kao litijum-jonska akumulatorska baterija. Prednost je što zahvaljujući ovome skladište energije može da se konstruiše da bude relativno malo i lagano tako da može da se

garantuje relativno velika gustina energije.

Primeri izvođenja pronalaska biće detaljnije objašnjeni u daljem tekstu pozivom na crteže na kojima: Slika 1 prikazuje električnu šemu rasporeda kola koje sadrži uređaj za

napajanje iz mreže i uređaj za nužno napajanje,

Slika 2 prikazuje električnu Šemu uređaja za nužno napajanje koji je na izlaznoj strani vezan na pretvarač učestalosti međukola a na ulaznoj strani na

električno kolo punjenja, i

Slika 3 prikazuje električnu šemu uređaja za nužno napajanje u kome su

pretvarač za podizanje i spuštanje napona integrisani.

Slika 1 prikazuje uređaj za podešavanje ugla nagiba lopatica vetroturbine koji se u suštini sastoji od uređaja za mrežno napajanje električnom energijom 1 i uređaja za nužno napajanje električnom energijom 2. Uređaj za mrežno napajanje 1 služi da električnom energijom napaja zakretni motor 3 pomoću koga može da se podešava zadati ugao nagiba lopatica rotora. Zahvaljujući tome, na primer, u zavisnosti od jačine vetra može da se zada brzina rotora na turbini. Na primer, ako nastane neki kvar, lopatice rotora mogu da se postave u položaj pera tako da prednja ivica profila ili zadnja ivica profila lopatica rotora bude okrenuta uz vetar. Kada dođe do prestanka rada uređaja za napajanje iz mreže 1, automatski se aktivira uređaj za nužno napajanje 2 koji obezbeđuje potreban napon za neprekidan rad zakretnog motora 3.

Uređaj za napajanje iz mreže 1 sastoji se u biti od ispravljača 4, međukola 5 i invertora 6. Između međukola 5 i invertora 6 raspoređen je kočioni otpornik 7 koji ograničava napon međukola Uzna neku definisanu maksimalnu vrednost kada se regenerativna energija isporučuje nazad u međukolo 5.

Uređaj za nužno napajanje 2 se u biti sastoji od spremišta energije 8 i pretvarača za podizanje napona 9. Spremište energije 8 može, na primer, da bude u obliku akumulatora ili punjive baterije. Tokom interventnog režima rada, kada je prestao da radi uređaj za napajanje iz mreže 1, pretvarač za podizanje napona 9 omogućava da se napon spremišta energije Uekoji je prisutan u spremištu energije 8 podigne i to najmanje na nominalnu vrednost napona međukola Uzkoji je prisutan na međukolu 5.

Spremište energije 8 povezano je preko pretvarača za spuštanje napona 10 sa ispravljačem 4 tako da se ispravljeni mrežni napon prisutan na izlazu ispravljača 4 smanji na nominalni napon Unnapona spremišta energije Ue.

Mrežni filter 11 je raspoređen između ispravljača 4 i mrežnih priključaka L1, L2, L3. Kočioni otpornik 7 prikazan na slici 1 je potpuno suvišan kada su pretvarač za podizanje napona 9 i pretvarač za spuštanje napona 10 predviđeni zajedno sa spremištem energije 8 koga čine litijum-jonske baterije ili kondenzatori. U ovom slučaju, celokupna regenerativna energija može da se isporuči nazad u spremište energije 8 preko pretvarača za spuštanje napona 10

Pretvarač za podizanje napona 9 sastoji se od elektronskog prekidača 12, prigušnice 13 i zamajne diode 14.

Tokom normalnog rada, prekidač 12, koji je na primer konfigurisan kao komutacioni tranzistor, je otvoren gde je zahvaljujući diodi 14 koja deluje kao blokadna dioda sprečen protok struje koja ima nisku vrednost napona u pravcu spremišta energije 8.

Ako mrežni napon Unpadne kada nestane napajanje iz mreže, struja I teče iz spremišta energije 8 preko prigušnice 13 i diode 14 u međukolo 5. Protok struje počinje čim je napon strujnog međukola Uzmanji od utvrđene vrednosti napona. Tada se uključuje pretvarač za podizanje napona 9 i transformiše relativno nizak napon spremišta energije Ueu utvrđeni nominalni napon Uzmeđukola 5.

Prekidaču 12 su dodeljena sredstva upravljanja tako da se, kada struja I padne ispod određene donje granične vrednosti ili u zavisnosti od vremena, vrši okidanje prekidača 12 da se pomeri u zatvoren položaj. Prekidač 12 je vezan na tačku grananja V koja je raspoređena između akumulacione prigušnice 13 i diode 14 sa jedne strane i priključka A2 spremišta energije 8 sa druge strane. Tokom vremena kada je prekidač 12 u zatvorenom položaju, akumulaciona prigušnica 13 dobija električnu energiju. Ova energija se onda prazni u međukolo 5 tokom vremena kada je prekidač u otvorenom položaju. Prekidač 12 se prebacuje u otvoren položaj preko upravljačkih sredstava zavisno od utvrđene gornje granične vrednosti struje I. Protok struje komutira iz grane prekidača 12 u granu zamajne diode 14 gde se struja postepeno smanjuje. Ako se utvrđena granična vrednost struje ne dostigne, prekidač 12 se putem sredstava upravljanja ponovo pomera iz zatvorenog u otvoreni položaj. Radom pretvarača za podizanje napona 9, skladište energije 8 može da obezbedi napon međukola Uzkoji odgovara najmanje nivou nominalnog napona međukola tokom normalnog rada. Kao mogućnost, obezbeđeni napon može da bude i viši.

Predviđena je jedna regulaciona i/ili upravljačka jedinica, koja nije prikazana, tako da se, ako je prisutan mrežni napon Unkoji daje mrežno napajanje, prekidač 12 prebacuje u otvoren položaj tako da se okonča interventni režim rada. Pošto je napon strujnog međukola konstantno viši od napona spremišta energije 8, protok struje preko pretvarača za podizanje napona se sprečava pomoću diode 14.

Prema jednom alternativnom izvođenju uređaja za nužno napajanje 2 prikazanog na slici 2, spremište energije 8 može da se puni i preko kola za punjenje 18.

Prema jednom alternativnom izvođenju prikazanom na slici 3, može da se predvidi jedan integralni pretvarač za podizanje/spuštanje napona 19 u kome za razliku od prethodnog primera izvođenja i pretvarač za podizanje i pretvarač za spuštanje napona koriste zajedničku akumulacionu prigušnicu 20.

Spremište energije 8 sadrži priključak A1 na koji je vezana akumulaciona prigušnica 13. Dalje, na priključak A1 je vezana prigušnica 15 pretvarača za spuštanje napona 10. Pretvarač za spuštanje napona 10 dalje sadrži elektronski prekidač 16 i diodu 17. Kada je prekidač 16 u zatvorenom položaju, struja teče iz izlaza ispravljača 4 preko prigušnice 15 do spremišta energije 8 Energija dobijena iz prigušnice 15 dok je prekidač 16 bio zatvoren prazni se preko zamajne diode 17 kada se prekidač 16 ponovo otvori (otvoren položaj) do izlaza pretvarača za spuštanje napona 10 i/ili ulaza spremišta energije 8.

U pretpostavljenom izvođenju spremišta energije, napred navedeno spremište konfigurisano je kao olovni ili litijum-jonski akumulator (litijum-jonska akumulatorska baterija) ili kao kondenzator. Preimućstvo je da se kao kondenzator koristeultracapskoji se opisuju i kao super-kondenzatori ili ultra-kondenzatori. Ovaj kondenzator može da bude konfigurisan kao jedan kondenzator ili kao kondenzatorska baterija.

U pretpostavljenoj izvedbi uređaja za nužno napajanje, pretvarač za spuštanje napona je integrisan i transformacijom spušta napon međukola i puni akumulatorsku bateriju. Ovaj pretvarač za spuštanje napona mora da se dimenzioniše da za olovne akumulatore bude znatno manji od pretvarača za podizanje napona pošto su dozvoljene struje punjenja mnogo niže od maksimalnih struja pražnjenja.

U daljoj pretpostavljenoj izvedbi, uređaj za nužno napajanje sadrži barem jedan osigurač. Zahvaljujući tom osiguraču, uređaj za nužno napajanje je zaštićen od struja koje su suviše visoke. Zbog bolje jasnoće crteža, ovaj sigurnosni element nije prikazan na crtežima.

Ako se koriste litijum-jonski akumulatori ili ultra-kondenzatori, struja punjenja može po vrednosti da bude blizu dozvoljenim strujama pražnjenja akumulatora tako da

pretvarač za spuštanje napona u pogledu nominalne struje može da se dimenzioniše na istu vrednost kao pretvarač za podizanje napona. Korist koju ovo donosi je to što je potrebna samo jedna prigušnica za pretvarač za podizanje i za spuštanje napona.

Kod konfiguracije sa litijum-jonskim akumulatorima ili ultra-kondenzatorima, energija kočenja iz pogona može da se vrati u akumulatorsku bateriju. U ovom slučaju, nije

potreban nikakav kočioni otpornik ili balastno kolo ili vraćanje u napajnu mrežu kada se akumulatorska baterija ne prepunjava. U ovom slučaju, nominalno punjenje ne bi trebalo da bude 100%.

Ako je jedinica za upravljanje i regulaciju uređaja za nužno napajanje opremljena interfejsom za merenje temperature, merenje napona pojedinačnog bloka i komunikaciju sa eventualnim modulima za ujednačavanje na pojedinačnim akumulatorima onda i baterijski menadžment sistem može da preuzme upravljanje uređajem za nužno napajanje kada je ugrađen potreban softver. Ovo rešenje je izvodljivo pošto postojeći merni transformator već registruje merene vrednosti i struju i napon akumulatora.

Cilj ovog pronalaska se postiže i vetroturbinom koja sadrži uređaj za nužno napajanje električnom energijom shodno jednom od gore navedenih izvođenja. Vetrtoturbina sadrži lopatice rotora gde lopatice rotora mogu da se podešavaju pomoću barem jedne električne mašine i gde se električna mašina napaja pomoću pretvarača učestalosti, gde pretvarač učestalosti sadrži ispravljač, međukolo i invertor i gde je uređaj za nužno napajanje povezan na međukolo.

Claims (12)

1. Uređaj za podešavanje ugla nagiba lopatica vetroturbine sa zakretnim motorom (3), sa uređajem za mrežno napajanje električnom energijom (1), sa pretvaračem za spuštanje napona (10) i sa uređajem za nužno napajanje električnom energijom (2) koji sadrži spremište energije (8) i pretvarač za podizanje napona (9) koji u urgentnoj situaciji može da bude povezan sa zakretnim motorom (3) da bi davao potrebnu električnu energiju za zakretanje lopatica turbine u položaj pera, gde je uređaj za nužno napajanje električnom energijom (2) spregnut sa uređajem za mrežno napajanje električnom energijom (1) koji sadrži ispravljač (4) na strani mrežne električne energije, međukolo (5) koje mu je podređeno i invertor (6) koji mu je podređen za protok električne energije iz sistema za napajanje električnom energijom do zakretnog motora (3) i gde je spremište energije (8) preko pretvarača za podizanje napona (9) spregnuto sa međukolom (5) uređaja za mrežno napajanje električnom energijom (1) tako da se u urgentnoj situaciji obezbedi da bar jedan nominalnu napon međukola (Uz) bude doveden do međukola (5) kao u normalnom radu i gde je spremište energije (8) preko pretvarača za spuštanje napona (10) spregnuto sa ispravljačem (4) da bi se regenerativna energija iz međukola (5) isporučivala u spremište energije (8).

2. Uređaj u skladu sa Zahtevom 1 u kom su uređaj za mrežno napajanje električnom energijom (1) i uređaj za nužno napajanje električnom energijom (2) integrisani u sistem zajedničkog strujnog kola.

3. Uređaj u skladu sa Zahtevom 1 ili 2 u kom pretvarač za podizanje napona, kada je prekidač (12) u položaju „otvoreno", pušta direktan protok energije iz spremišta energije (8) u međukolo (5).

4. Uređaj u skladu sa Zahtevom 3 u kom su akumulaciona prigušnica (13) i zamajna dioda (14) raspoređene između spremišta energije (8) i međukola (5) tako da u se urgentnoj situaciji i kada je prekidač (12) u položaju „otvoren" električna energija akumulirana u akumulacionoj prigušnici (13) ispušta u međukolo (5).

5. Uređaj u skladu sa Zahtevom 3 ili 4 gde je prekidač (12) vezan na tačku grananja (v) koja se nalazi između akumulacione prigušnice (13) i zamajne diode (14) i priključka (A2) spremišta energije (8) tako da se, kada je prekidač (12) u položaju „zatvoren", električna energija koju daje skladište energije (8) privremeno akumulira u akumulacionoj prigušnici (13).

6. Uređaj u skladu sa bilo kojim od Zahteva 3 do 5 u kom su predviđena sredstva upravljanja tako da se, u urgentnoj situaciji, prekidač (12) kada se dostigne gornja granična vrednost struje pomera iz položaja „zatvoreno" u položaj „otvoreno" i, kada se dostigne donja granična vrednost struje, pomera iz položaja „otvoreno" u položaj „zatvoreno".

7. Uređaj u skladu sa bilo kojim od Zahteva 3 do 6 u kome je predviđena regulaciona i/ili upravljačka jedinica tako da se, ako u međukolu (5) postoji ispravljeni mrežni napon (Un), prekidač (12) pomera u položaj „otvoren".

8. Uređaj u skladu sa bilo kojim od Zahteva 3 do 7 u kome zamajna dioda (14) Čini blokadnu diodu (17) koja tokom normalnog rada sprečava pražnjenje spremišta energije (8).

9. Uređaj u skladu sa bilo kojim od Zahteva 3 do 8 u kome je prekidač (12) konfigurisan kao komutacioni tranzistor.

10. Uređaj u skladu sa bilo kojim od Zahteva 3 do 9 u kome je pretvarač za podizanje napona (9) integrisan u pretvarač učestalosti.

11. Uređaj u skladu sa bilo kojim od Zahteva 7 do 10 u kome je upravljačka i/ili regulaciona jedinica osmišljena tako da motor jednosmerne struje (3) koji je direktno vezan na međukolo (5) može u urgentnoj situaciji da se reguliše kao zakretni motor u opsegu između napona spremišta energije (Ue) i maksimalnog napona međukola (U2).

12. Uređaj u skladu sa bilo kojim od Zahteva 1 do 11 u kome je spremište energije (8) konsigurisano kao litijum-jonska akumulatorska baterija.