Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Область техники

Настоящее изобретение касается установки по производству электроэнергии, содержащей множество устройств, выполненных с возможностью преобразования механической энергии в электрическую энергию.

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности, касается устройств производства электроэнергии, которые являются гидроэнергетическими установками, по меньшей мере, частично погруженными в воду и использующими кинетическую энергию морских течений для производства электроэнергии, или ветроэнергетическими установками, расположенными в море.

Предшествующий уровень техники

Как правило, гидроэнергетическая установка содержит механический приемник или турбину переменной скорости, выполненную с возможностью приведения во вращение от гидравлического потока, например, приливной волны или течения водной артерии, и генератор переменного тока, связанный с механическим приемником и преобразующий механическую мощность, создаваемую гидравлическим потоком, в электрическую мощность. Как правило, генератор содержит ротор, механически связанный с турбиной и вращаемый этой турбиной, и один или несколько статоров, при этом вращение ротора приводит к созданию индукционного электромагнитного поля. Таким образом, механическая энергия, поступающая на ротор, преобразуется в электрическую энергию переменного тока. Получаемые электрическое напряжение и частота пропорциональны скорости вращения ротора.

На выходе генератор переменного тока выдает переменный электрический сигнал изменяемой частоты, при этом частота зависит от скорости вращения турбины, которая зависит от скорости гидравлического потока, которая является изменяемой. Однако сети распределения и передачи электроэнергии работают с фиксированной частотой, например, 50 Гц в Европе и 60 Гц в США.

Для обеспечения передачи электроэнергии в такую электросеть, как известно, такой генератор переменного тока объединяют с преобразователем электрической энергии, выполненным с возможностью преобразования электрического сигнала, выходящего из генератора переменного тока, в электрический сигнал фиксированного напряжения и фиксированной частоты, готовый для передачи в сеть распределения и передачи электроэнергии.

В настоящее время, как известно, подключают один преобразователь энергии на каждый генератор переменного тока и, следовательно, на каждую гидроэнергетическую установку, чтобы наиболее эффективно использовать поток, проходящий через каждую гидроэнергетическую установку, и выдавать максимум электрической мощности в электросеть. Однако присоединение преобразователя мощности к погруженному или частично погруженному устройству производства электроэнергии является дорогостоящей и сложной операцией, в частности, учитывая необходимость обеспечения герметичности и высокого уровня надежности такого преобразователя мощности; возможный альтернативный вариант установки преобразователя мощности над водой на уровне каждой машины не допустим как с точки зрения общественности (влияние на внешний вид местности), так и с точки зрения властей (помехи для навигации и рыбной ловли, источник опасности). Кроме того, обслуживание такого погруженного или частично погруженного преобразователя мощности является очень дорогим, так как требует средств работы в море, в частности, средств подъема подводных кессонов, которые, как правило, являются очень тяжелыми.

Можно рассматривать альтернативное решение, согласно которому для каждого генератора переменного тока на берегу устанавливают соответствующий преобразователь мощности, но оно является очень дорогим, так как требует использования кабеля для передачи переменного электрического сигнала изменяемой частоты для каждого устройства производства электроэнергии.

Известна система генерирования электроэнергии, содержащая множество турбин, генераторов, диодных мостов, преобразователей и высоковольтных диодов. Также система содержит HVDC кабель (кабель для высоковольтного постоянного тока) и высоковольтный преобразовательный мост. Каждая турбина приводит в действие соответствующий из множества электрических генераторов, производящих переменный ток. Каждый генератор электрически соединен с ассоциированным диодным мостом, и каждый диодный мост выпрямляет переменный ток в постоянный ток. Каждый диодный мост электрически присоединен к ассоциированному преобразователю, и каждый преобразователь повышает постоянный ток в высоковольтный постоянный ток. Каждый преобразователь электрически соединен посредством параллельного соединения с высоковольтным кабелем постоянного тока посредством ассоциированных высоковольтных диодов. Высоковольтный кабель постоянного тока электрически соединен с высоковольтным преобразовательным мостом. Высоковольтный преобразовательный мост конвертирует постоянный ток в переменный ток (заявка WO 2010/049027). Однако в данном решении не раскрывается того, что используется один преобразователь мощности для множества генераторов.

В связи с вышеизложенным возникает потребность в реализации менее дорогих и более простых в обслуживании электростанций на основе гидроэнергетических установок.

Краткое изложение существа изобретения

Предложенное изобретение решает задачу осуществления простой в обслуживании и недорогой электростанции на основе гидроэнергетических установок, соответственно, техническим результатом изобретения является упрощение обслуживания электростанций на основе гидроэнергетических установок

Для этого объектом изобретения является установка по производству электроэнергии, содержащая множество, по меньшей мере, частично погруженных в воду устройств производства электроэнергии, выполненных с возможностью преобразования механической энергии, создаваемой протеканием потока, в электрическую энергию, при этом каждое устройство производства электроэнергии содержит вращающийся механический приемник, выполненный с возможностью приведения во вращение протеканием потока, и генератор переменного тока, содержащий, по меньшей мере, один ротор и, по меньшей мере, один статор, при этом ротор генератора выполнен с возможностью приведения во вращение вращающимся механическим приемником, отличающаяся тем, что каждое устройство производства электроэнергии производит переменный электрический сигнал с изменяемыми напряжением и частотой, передаваемый, по меньшей мере, частично погруженным кабелем электропередачи, и тем, что установка по производству электроэнергии дополнительно содержит соединительное устройство, к которому на входе параллельно подключены кабели электропередачи, отходящие от каждого устройства производства электроэнергии, и которое выдает на выходе совокупный электрический сигнал, при этом упомянутый совокупный электрический сигнал представляет собой переменный электрический сигнал с изменяемыми напряжением и частотой, в котором амплитуда тока равна сумме входных токов; частично погруженный выходной кабель, соединяющий выход соединительного устройства с устройством преобразования мощности за пределами воды, при этом упомянутое устройство преобразования мощности выполнено с возможностью преобразования совокупного электрического сигнала в переменный электрический сигнал фиксированной частоты, предназначенный для сети распределения и передачи электроэнергии.

Предпочтительно устройства производства электроэнергии электрически соединены параллельно, при этом электрическая энергия транспортируется после соединения через выходной кабель, передающий переменный электрический сигнал изменяемой частоты, что позволяет установить только одно устройство преобразования мощности для нескольких устройств производства электроэнергии на расстоянии от устройств производства электроэнергии на берегу или на морской платформе, которая выполняет роль электрической подстанции, находящейся над водой, то есть являющейся легко доступной. Таким образом, стоимость обслуживания устройства преобразования мощности существенно снижается.

Параллельное соединение устройств производства электроэнергии дает возможность, при стабильной работе системы, синхронизировать генераторы переменного тока по скорости и частоте. Посредством моделирования авторы изобретения отметили лишь незначительное снижение производительности с точки зрения получаемой общей электрической мощности по сравнению со случаем, когда каждое устройство производства электроэнергии эксплуатировалось индивидуально.

Установка по производству электроэнергии в соответствии с изобретением может также иметь один или несколько следующих отличительных признаков:

- каждое устройство производства электроэнергии содержит синхронный генератор переменного тока с постоянными магнитами;

- каждое устройство производства электроэнергии содержит асинхронный генератор переменного тока;

- каждое устройство производства электроэнергии содержит трансформатор, соединенный с выходом генератора переменного тока и выполненный с возможностью повышения напряжения и уменьшения силы тока электрического сигнала, выдаваемого генератором переменного тока;

- устройство преобразования мощности содержит трансформатор, выполненный с возможностью понижения напряжения и увеличения силы тока переменного электрического сигнала изменяемой частоты, поступающего на вход устройства преобразования мощности;

- устройство преобразования мощности содержит блок преобразования мощности, в состав которого входят, по меньшей мере, первый преобразователь, выполненный с возможностью преобразования входного переменного электрического сигнала изменяемой частоты и изменяемого напряжения в выходной постоянный электрический сигнал, и второй преобразователь, вход которого подключен к выходу упомянутого первого преобразователя и который выполнен с возможностью преобразования входного постоянного сигнала в выходной переменный сигнал с фиксированной частотой;

- упомянутый блок преобразования мощности содержит подблок или несколько электрически соединенных параллельно подблоков, при этом каждый подблок содержит упомянутый первый преобразователь и упомянутый второй преобразователь;

- упомянутое устройство преобразования мощности содержит средства для применения способа регулирования мощности, выполненные с возможностью модулирования параметров совокупного электрического сигнала, выходящего из упомянутого соединительного устройства; и

- упомянутые средства для применения способа регулирования мощности выполнены с возможностью фиксирования силы тока совокупного электрического сигнала за счет регулирования среднего значения силы тока переменного электрического сигнала, выдаваемого каждым устройством производства электроэнергии, и синхронизации по частоте упомянутых переменных электрических сигналов.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на единственную прилагаемую фигуру, на которой представлен пример установки по производству электроэнергии в соответствии с изобретением.

Описание изобретения представлено в рамках его применения для установки по производству электроэнергии, содержащей устройства производства электроэнергии, являющиеся гидроэнергетическими установками. В целом изобретение представляет интерес для любой установки по производству электроэнергии, содержащей устройства производства электроэнергии, по меньшей мере, частично погруженные в воду.

В примере, представленном на чертеже, установка 1 по производству электроэнергии содержит, по меньшей мере, частично погруженную часть 8 и надводную часть 10, при этом обе части соединены электрическим кабелем, выполненным с возможностью передачи переменного электрического сигнала 12 изменяемой частоты. Установка 1 по производству электроэнергии состоит из четырех устройств производства электроэнергии или гидроэнергетических установок 14, 16, 18, 20, соединенных параллельно, что будет пояснено ниже.

Согласно варианту выполнения, устройства производства электроэнергии соединены по принципу “daisy chain”, согласно которому параллельное электрическое соединение осуществляют, используя только один кабель для соединения устройств.

В варианте, установка по производству электроэнергии в соответствии с изобретением может содержать любое число N гидроэнергетических установок.

Гидроэнергетические установки работают от энергии водного потока или морских течений.

Каждая гидроэнергетическая установка, например, гидроэнергетическая установка 14 содержит вращающийся механический приемник гидравлического потока или турбину, не показанную на чертеже. Турбина механически связана с генератором 22 переменного тока, который является, например, синхронной электрической машиной, содержащей ротор 23 и, по меньшей мере, один статор 24, причем оба элемента являются концентричными, и статор 24 в виде круглого венца охватывает ротор 23. Альтернативно можно предусмотреть и другие варианты топологии системы ротор-статор(ы) генератора переменного тока.

В варианте выполнения ротор содержит постоянные магниты.

В варианте используют асинхронные генераторы переменного тока.

Во время работы турбина вращает ротор, что приводит к созданию электромагнитного поля в системе ротор-статор(ы). Генератор переменного тока выдает переменный электрический сигнал.

Электрический сигнал характеризуется такими параметрами, как сила тока или просто ток, уровень напряжения или просто напряжение. В случае переменного сигнала, например, такого как синусоидальный сигнал, параметры включают в себя также частоту, которая является одинаковой для тока и для напряжения, и фазу, которая равна углу смещения между током и напряжением.

Синхронный генератор 22 переменного тока с постоянными магнитами выдает переменный электрический сигнал S1 изменяемой частоты.

Когда электрический сигнал S1, генерируемый генератором переменного тока, находится в диапазоне [110 В, 3,3 кВ], получаемый на выходе генератора 22 электрический сигнал S1 поступает в цепь 25, содержащую первый трансформатор 26, который повышает напряжение электрического сигнала S1 и уменьшает соответствующую силу тока, поддерживая при этом постоянную мощность электрического сигнала S1. Трансформатор 26 является статическим трансформатором.

Обычно трансформатор 26 осуществляет преобразование низкого напряжения, как правило, 400-690 В в среднее напряжение, как правило, 11 кВ, то есть производит повышение напряжения примерно в 25 раз. Силу тока уменьшают в такое же число раз, чтобы сохранять постоянную мощность. Например, ток переходит от значения 2500 А (ампер) к 100 А.

Ролью трансформатора 26 в этом примере выполнения является уменьшение силы тока в диапазоне значений, который обеспечивает легкую передачу через подводный электрический кабель на потенциально довольно большие расстояния, порядка 1-15 км.

В предпочтительном варианте выполнения, если используют генератор переменного тока, позволяющий генерировать электрический сигнал высокого напряжения порядка 11 кВ, устройство 14 производства электроэнергии не содержит трансформатора 26, что позволяет сэкономить на стоимости этого трансформатора.

Кроме того, как известно, цепь 25 содержит аварийный выключатель 28 на выходе трансформатора 26 при его наличии, который позволяет отключить устройство 14 производства электроэнергии в случае необходимости, например, в случае аварии или нарушения в работе, чтобы изолировать его от остальной части установки по производству электроэнергии. Когда выключатель 28 срабатывает, ток, выдаваемый устройством 14 производства электроэнергии в установку по производству электроэнергии, становится равным нулю.

На выходе устройство 14 производства электроэнергии выдает второй электрический сигнал S'1, который является первым электрическим сигналом S1 в варианте выполнения без трансформатора 26 и напряжение которого находится в пределах от 10% до 100% от максимального значения Vmax, например, 11 кВ, а ток находится в пределах от 10% до 100% от максимального значения Imax, например, 600 А. Этот выходной электрический сигнал является переменным электрическим сигналом переменной частоты и переменного напряжения, ограниченного в этом варианте выполнения максимальным значением 11 кВ.

Разумеется, максимальные значения 11 кВ и 600 А в данном случае приведены только в качестве примера, и принцип изобретения можно применять для более высоких максимальных значений.

На выходе устройство 14 производства электроэнергии соединено с кабелем 32 электропередачи, который является подводным кабелем и выполнен с возможностью передачи электрического сигнала S'1 изменяемых напряжения и частоты в соединительное устройство 34.

Другие устройства 16, 80, 20 производства электроэнергии аналогичны устройству 14 производства электроэнергии, содержат аналогичные элементы и выдают на выходе соответственно электрические сигналы S'2, S'3 и S'4 изменяемой частоты и изменяемого напряжения.

Аналогично электрические сигналы S'2, S'3 и S'4 проходят по соответствующим кабелям 36, 38, 40 электропередачи на вход соединительного устройства 34.

Электрические сигналы S'1, S'2, S'3 и S'4 переменного напряжения и переменной частоты поступают на вход соединительного устройства 34 и параллельно объединяются соединителем 45. На выходе соединителя 45 получают совокупный электрический сигнал S”, амплитуда тока которого равна сумме токов входных сигналов. Частота совокупного электрического сигнала S” обычно колеблется в диапазоне от 1 Гц до 100 Гц, и его напряжение доходит до максимального напряжения Vmax, равного 11 кВ в этом варианте выполнения.

Затем совокупный электрический сигнал S” проходит по выходному электрическому кабелю 12, который выполнен с возможностью передачи электрического сигнала изменяемой частоты и изменяемого напряжения в надводную часть 10 установки по производству электроэнергии 1.

Выходной кабель 12 соединяет соединительное устройство 34 с устройством 46 преобразования мощности, которое находится за пределами воды, что облегчает его обслуживание.

Предпочтительно необходимы только один выходной электрический кабель и только одно надводное устройство преобразования мощности, независимо от числа соединенных параллельно устройств производства электроэнергии.

Устройство 46 преобразования мощности содержит второй трансформатор 48, предназначенный для понижения напряжения совокупного электрического сигнала S”, чтобы сделать его совместимым со всеми преобразователями 50 мощности, подключенными к выходу трансформатора 48.

Обычно трансформатор 48 позволяет переходить от входного электрического сигнала с максимальным напряжением 11 кВ к выходному электрическому сигналу с максимальным напряжением, равным уровню максимального напряжения преобразователя, например, 690 В, 900 В, 1200 В, 2,2 кВ, 3,3 кВ, 4 кВ или 6,6 кВ, сохраняя при этом мощность входного электрического сигнала.

В варианте выполнения, показанном на чертеже, используют блок преобразователей мощности, подключенных параллельно к двум ветвям.

В варианте используют только один преобразователь или более двух преобразователей, при этом количество используемых преобразователей меняется в зависимости от характеристик используемых преобразователей и от числа подключенных параллельно устройств производства электроэнергии.

В частности, блок 50 преобразователей мощности состоит из двух подключенных параллельно подблоков, при этом каждый подблок содержит первый преобразователь 54 (соответственно 56), который преобразует переменный электрический сигнал в постоянный электрический сигнал, и второй преобразователь 58 (соответственно 60), вход которого соединен с выходом первого преобразователя 54 и который преобразует постоянный электрический сигнал, поступивший от первого преобразователя, в переменный электрический сигнал с фиксированной частотой и с фиксированным напряжением, который можно передавать в электросеть распределения и передачи. На практике преобразователи 54, 56 являются активными четырехквадрантными выпрямителями, и преобразователи 58, 60 выполнены по такому же принципу.

Количество подключаемых параллельно подблоков преобразователей зависит от мощности совокупного электрического сигнала S”, поступающего из выходного кабеля 12, при этом рабочие диапазоны преобразователей мощности зафиксированы конструктивно. Как правило, для мощности порядка 4 МВт, получаемой из параллельного соединения четырех устройств производства электроэнергии, используют два параллельно подключенных подблока с преобразователями 2 МВА/690 В. В целом число подблоков преобразователей при фиксированном рабочем диапазоне преобразователей зависит от количества N подключенных параллельно устройств производства электроэнергии, учитывая, что общая получаемая мощность равна сумме мощностей, выдаваемых каждым из устройств производства электроэнергии.

Выход блока преобразователей соединен с входом третьего трансформатора 62, который преобразует переменный электрический сигнал напряжением 690 В в переменный электрический сигнал с напряжением сети электропередачи, как правило, 20 кВ, и с частотой, равной частоте сети электропередачи, то есть равной 50 Гц в Европе.

Электрический сигнал, получаемый на выходе трансформатора 62, поступает в сеть передачи или распределения через соединение 64.

В описанной установке 1 по производству электроэнергии стабильная работа требует синхронизации скорости и частоты вращения роторов подключенных параллельно генераторов переменного тока. Блок 50 преобразования мощности регулирует параметры электрического сигнала на своих контактах, за счет чего блок 50 преобразования мощности действует как устройство управления, которое задает параметры совокупного электрического сигнала S”, и в частности, силу его тока. При этом следует учитывать, что совокупный электрический сигнал S” является результатом сложения электрических сигналов S'1-S'4, выдаваемых каждым из генераторов переменного тока.

Как следствие, регулирование силы тока совокупного электрического сигнала S” приводит к регулированию силы тока электрических сигналов, выдаваемых генераторами устройств 14, 16, 18, 20 производства электроэнергии. Следовательно, для каждого генератора переменного тока регулируют электромагнитный момент торможения, связанный с силой тока, который прикладывают к ротору генератора переменного тока, чтобы обеспечить синхронизацию роторов. Скорость вращения турбины, которая вращает каждый ротор, является идентичной и пропорциональна электрической частоте для всех устройств производства электроэнергии, подключенных параллельно и оборудованных синхронными генераторами переменного тока. Скорость вращения является очень близкой (при отклонении менее 5%) для турбин, соединенных параллельно и оборудованных асинхронными генераторами переменного тока.

Как известно, в случае генератора переменного тока, вращаемого турбиной и соединенного с преобразователем мощности, преобразователь регулирует мощность таким образом, чтобы регулировать силу электрического тока, выдаваемого генератором, что позволяет получать электромагнитный момент торможения, позволяющий оптимизировать скорость вращения турбины и, следовательно, получить максимальный КПД, то есть получить максимум электрической энергии, измеренной в виде мощности, по отношению к получаемой механической энергии.

В установке по производству электроэнергии в соответствии с изобретением параллельно подключены несколько устройств производства электроэнергии. При этом применяют способ регулирования мощности, позволяющий управлять блоком 50 преобразования мощности для выдачи совокупного электрического сигнала S” максимальной мощности. Например, применяют способ регулирования, описанный в патентной заявке FR 11.55559. Такой способ обычно осуществляют при помощи не показанного блока управления, выполненного с возможностью управления блоком 50 преобразования мощности.

Регулирование силы тока электрического сигнала S” распределяют на токи, выдаваемые генераторами подключенных параллельно устройств производства электроэнергии, таким образом, чтобы регулировать среднее значение сила тока, выдаваемого каждым генератором переменного тока.

В варианте можно применять другие известные способы для управления преобразователем мощности, соединенным только с одним генератором переменного тока и обеспечивающим работу единственного генератора в его оптимальной рабочей точке, чтобы получать регулирование среднего значения мощности соединенных параллельно генераторов переменного тока, считая, что соединенные параллельно генераторы переменного тока работают аналогично «среднему» единственному генератору переменного тока, электрические характеристики которого отражают среднее значение характеристик каждого подключенного генератора переменного тока. Способы могут представлять собой, например, способы на основе цифрового алгоритма наблюдения.

Следует отметить, что в отличие от классической установки по производству электроэнергии, в которой каждое устройство производства электроэнергии имеет свой собственный преобразователь мощности и в которой каждое устройство производства электроэнергии работает с оптимальным КПД в зависимости от водных потоков, поставляющих механическую энергию, в заявленной установке по производству электроэнергии КПД каждого устройства производства электроэнергии оптимизирован по среднему значению.

По этой причине наблюдается незначительная потеря с точки зрения производительности по сравнению с работой без параллельного подключения устройств производства электроэнергии. Однако авторы изобретения путем моделирования установили, что потеря производительности является несущественной.

Было также установлено, что даже при довольно больших колебаниях с точки зрения скорости локального гидравлического потока общая потеря электрической мощности является незначительной.

Точно так же, было установлено, что при небольших различиях в характеристиках подключенных параллельно генераторов переменного тока потеря с точки зрения общей производимой электрической мощности тоже является незначительной.

Предпочтительно предложенная установка по производству электроэнергии позволяет снизить расходы по монтажу и обслуживанию, сохраняя при этом стабильную систему с незначительной потерей общей генерируемой электрической мощности по сравнению с классической системой, намного более дорогой в монтаже и в обслуживании.