CN113424385B - 具有可变电压的直流电网 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有电组件(3、4、5、7)的直流电网(1)，电组件借助于导体(6)相互电连接，其中，直流电网(1)能够在导体(6)的部件(61、62)之间以直流电压(U)运行。为了改进直流电网(1)提出，直流电网(1)具有调节器(2)，利用调节器能够改变直流电网(1)的直流电压(U)，使得直流电压(U)的值与直流电网(1)的至少一个状态相关，并且借助于直流电压(U)将关于状态的信息传输至直流电网(1)的电组件(3、4、5、7)。本发明还涉及具有这种直流电网的风力发电场，直流电网具有风力发电设备。本发明还涉及用于运行这种直流电网(1)或这种风力发电场的方法，其中，根据直流电网(1)的状态调节或控制直流电网(1)的直流电压(U)。

Description

具有可变电压的直流电网

技术领域

本发明涉及一种直流电网，其中，直流电网能够以直流电压运行。本发明还涉及风力发电场以及用于运行这种直流电网或风力发电场的方法。

背景技术

在配电网中将电能提供给用电器。在此，在配电网的通常被称为导线的馈电线处存在电压。在用电器连接的情况下，用电器能够从馈电线中获取电流。在此，电能在配电网内被分配。电压可以是交流电网的交流电压或者也被称为直流电网(DC-Netz)的直流网络的直流电压。

当今，配电网设计为交流电网。这提供了借助于变压器以简单的方式产生不同的电压等级的可能性。在直流电网中，为了简单起见，直流电压保持在一个恒定值并且被提供给用电器。为此，通常使用最大允许的额定值。因此，用电器在恒定功率的情况下能被提供小电流。在此，由于小电流导致小的电损耗。

发明内容

本发明的基本目的是改进直流电网。

本发明基于如下认知，即改进直流电网，使得直流电网的电压是可变的并且反映直流电网的状态。本发明涉及在直流电网中电压调节的设计方案。目的在于，根据网络的直流电压描述直流电网的一个状态或多个状态。因此，每个用电器、每个电源和每个存储器直接已知直流电网的状态并且能够适当地以及例如稳定地对状态做出反应。

在直流电网中，在直流电网处连接的电组件借助于导线电连接。导线例如能够是电缆或导电轨。在此，导线在直流电网中具有至少两个部件，直流电网的直流电压存在于两个部件之间。

能够通过直流电压的值以简单的方式描述直流电网的状态。例如在产生的能量处出现供过于求或与直流电网连接的储能器具有高的负荷状态(State of Charge)，因此网络电压上升。这当调节器在直流电网中提高直流电压时发生。因此例如将状态表示为网络具有提供能量和功率的良好能力。另一方面应能通过低的直流电压表示，提供电能的能力被限制。用电器能够通过适配的运行表现来对这些状态做出适当的反应。

高的直流电压示出能量源或储能器，该能量源能够减小能量源产生的功率，该储能器应能从网络中接收能量。可替代地或附加地，储能器的高的充填度也能在直流电网中由高的电压表示。这显示，为了保护网络不由于电能的供过于求而出现故障，电源减小产生的功率。

也可以想到第一上阈值和高于第一上阈值的第二上阈值，在第一上阈值处储能器应当吸收能量，在第二上阈值处能量发生器减少能量发生器产生的功率(可能以效率为代价)。这同样适用于电能的过低供应。对此，能量发生器从第一下阈值起被要求提高能量发生器产生的功率，并且从第二下阈值起储能器在配电网中供应电能。在此，第一下阈值能够小于或大于第二下阈值。此外，能够引入其他的下阈值，用电器在其他的下阈值处减小其接收的功率。

能够放弃上级的调节/控制，其负责为用电器提供足够的电能并且保护直流电网免于过载。直流电网的每个电组件、不管是用电器、发生器或者存储器通过网络电压的数值被告知直流电网的状态，并且能够因此对直流电网的稳定做出有针对性的贡献。

特别有利的是，电组件的运行表现根据直流电网的状态改变。对此，关于直流电网中一个或多个状态的信息能够被用于激活保护装置或优化运行表现。例如能够由此优化储能器和/或提高电组件的所有或至少一个部件的寿命。例如在生产中同样可以最大化生产单位处的产量。

通过提出的装置或提出的方法，可以实现直流电网的安全保护并且同时改进电组件的供应安全。

特别有利的是，提出的直流电网的应用用于具有各种风力发电设备的风力发电场。各个风力发电设备经由直流电网相互连接，使直流电网达到直流电网的容量限制，因此能够经由各个风力发电设备的电压变化告知，风力发电设备随后基于这些信息例如通过风力发电设备的叶片的调整(节距控制)来减小风力发电设备供给的功率。同样考虑迫切的对未来关键的网络状态，例如将基于风力预报已经作为直流电网的状态并且经由直流电压传输到风力发电设备处。该关联是非常安全的并且尤其适用于风力发电设备的保护，风力发电设备基于其高的潜在危险在故障情况下在数据的安全传输方面有高的要求。

直流电网在车辆中的应用同样是特别有利的，因为在该处也能确保安全关联并且能够实现车辆的安全运行。例如同样能够通过适配运行表现、例如运行表现的加速性能来提高储能器的使用率以及车辆的续航。

调节器能够构造为直流/直流调节器，以将现有的直流电压转换为直流电网的改变的直流电压。然而，可替代地或附加地，可以由交流电网、如供电网或三相发电机给直流电网供电。在这种情况下使用也被称为交流/直流调节器的变流器。同样可以设置直流/直流调节器和变流器的结合。

在本发明的一个有利的设计方案中，电组件之一是直流电网的保护装置。经由直流电网的状态的关联尤其适用于保护装置，因为该关联非常安全。状态在运行中被连续传输，并且与数据传输相比对干扰是不敏感的。并且在直流电压、也就是关联有故障的情况下，在直流电网中不再分配能量并且电组件由此进入安全状态。

已知的数据传输尤其在例如用变流器作为用电器的工业环境中受到高程度的电磁干扰。在实现数据传输时，例如必须采取措施以总线系统的形式用于确保防止干扰。此外，必须还能够在数据线有故障的情况下实现安全运行。这在提出的解决方案中已经建设性地实现，因为用电器的供应在直流电压有故障的情况下被安全地中断。

保护装置例如是制动电阻，制动电阻将直流电网的多余的能量转换为热量。制动电阻的触发、也就是激活能够尤其简单地并且因此安全地借助于比较器实现，比较器比较直流电网中的直流电压与边界值。当高于或低于边界值时，能够激活保护装置、例如制动调节器。

在本发明的另一个有利的设计方案中，保护装置布置在距其余的电组件大于10米、特别是大于100米的距离处。通过经由供应电压的关联，关联也能够通过长距离安全实施。保护装置尤其能够例如布置在建筑物外部以改进冷却。制动电阻例如能够布置在流动的冷却介质中，以确保向环境中良好散热。例如如上所述的借助于比较器的简单的可触发性也允许在流动的冷却介质中的布置。

在本发明的另一个有利的设计方案中，电组件包括储能器和用电器。尤其对储能器和用电器以及必要时还有能量源共同作用的情况，经由储能器的能量交换能够有利地优化运行表现并且阻止储能器的空载运行。

在本发明的另一个有利的设计方案中，直流电压随着储能器的充填度的升高而提高。储能器的充填度经常被用作为负荷状态(State of Charge)。能够经由所有位于直流电网中的储能器的充填度得出平均的充填度。在此，这些平均值还能够利用可由相应的储能器存储的能量比重。该值越高，直流电压在网络中被(闭环)调节或(开环)控制得越高。利用高的直流电压为用电器显示直流电网的高性能。

在本发明的另一个有利的设计方案中，直流电压随着能量源的负荷率的降低而提高。能量源的负荷率越低，在直流电网中提供功率的能力就越高。能量源的负荷率是指相应的能量源的供给的功率与最大供给的功率的关系。因此，在低的能量源的负荷率的情况下，电压的数值提升。

在本发明的另一个有利的设计方案中，在高于第一边界值的情况下，直流电网的能量源的一部分被关闭。在此涉及能够将直流电网的状态的信息有利地用于直流电网的运行的措施。当电力的供应能力是高的并且高于第一界限值时，各个能量源能够被关闭。这在其他情况下，当储能器具有高的、例如高于80％的充填度时也是可行的。直流电网通过能量源的关闭经济地运行，因为能量源的更高的负荷率也经常与更高的效率相关。

在本发明的另一个有利的设计方案中，在低于第二边界值的情况下，使储能器的至少一部分放电。当直流电压是低的并且低于第二边界值时，这表明，能量源中功率的供应不足以满足用电器的需求。在这种情况下有利的是，使储能器放电并且因此在直流电网中为用电器提供附加的能量。这在能量源和用电器的相互作用方面产生稳定的效果。

在本发明的另一个有利的设计方案中，在低于第三边界值的情况下，利用减小的功率运行或者关闭用电器的一部分。当交付的功率停留在低于用电器的需求并且能量源也已经以高的负荷率、例如大于90％或甚至100％运行时，那么这是有利的，用电器根据直流电压的数值识别状态并且减小直流电压的功率。如果这还不够，也能够例如在低于其他的边界值的情况下关闭这些用电器。

附图说明

下面根据在附图中示出的实施例详细描述和阐述本发明。附图示出：

图1示出直流电网；

图2示出储能器的充填度与第一电压调节因数之间的关系；并且

图3示出能量源的负荷率与第二电压调节因数之间的关系。

具体实施方式

图1示出用于直流电网1的实施例。直流电网具有一个或多个能量源3和多个用电器5。直流电网1还能具有储能器4和保护装置7。直流电网1的直流电压U₁是可变的并且存在于导体6的两个部件61、62之间，导体使各个电组件3、4、5、7相互连接。直流电压U₁能够由调节器2调节、也就是改变，以描述直流电网1的状态。电压源10以电压U₂供给调节器2。电压源是能量源，能量源经由调节器2在直流电网1中预设直流电压U₁。电压源10例如能够通过供电网形成，从供电网获取能量用于供给用电器5或从风力发电设备向供电网供给能量。能量源同样能够是车辆的发电机。

图2示出根据储能器4的充填度SoC调节直流电压U₁的示意图。储能器4越满，第一电压升高因数α就越高。直流电压U₁由电压源10的电压U₂与第一电压调节因数α的乘法得出：

U₁＝U₂·α。

在此，充填度SoC与第一电压调节因数α之间的关系能够是线性的，但是也能够通过任何其他单调函数构成。

图3示出根据能量源3的负荷率a调节直流电压U₁的示意图。能量源的负荷率越小，第二电压升高因数β就越高。直流电压U₁由电压源10的电压U₂与第二电压调节因数β的乘法得出：

U₁＝U₂·β。

在此，负荷率a与第二电压调节因数β之间的关系能够是线性的，但是也能够通过任何其他单调函数构成。在此有利的是，第二电压调节因数β在负荷率a的一个特定的范围处是恒定的。

通过引入充填度SoC和负荷率a，使用第一电压调节因数和第二电压调节因数，因此直流电压U₁由电压源10的电压U₂与第一电压调节因数α和第二电压调节因数β的乘法得出：

U₁＝U₂·α·β。

第一电压调节因数和第二电压调节因数的各个值α₁、α₂、β₁、β₂通过直流电网1的设置得出。在此考虑的是，直流电网1通过值α₁、α₂、β₁、β₂既不在电压方面也不在电流方面过载。

综上，本发明涉及直流电网，其中直流电网能够以直流电压运行。为了改进直流电网提出，直流电网具有调节器，利用调节器能够改变直流电网的直流电压，其中，直流电压的值与能量源和/或储能器和/或用电器的状态相关。本发明还涉及用于运行这种直流电网的方法，其中，根据能量源和/或储能器和/或用电器的状态来调节或控制直流电网的直流电压。

换言之，本发明涉及一种具有电组件的直流电网，电组件借助于导体相互电连接，其中，直流电网能够在导体的部件之间以直流电压运行。为了改进直流电网提出，直流电网具有调节器，利用调节器能够改变直流电网的直流电压，使得直流电压的值取决于直流电网的至少一个状态，并且借助于直流电压将关于状态的信息传输至直流电网的电组件。本发明还涉及具有这种直流电网的风力发电场，直流电网具有风力发电设备。本发明还涉及用于运行这种直流电网或这种风力发电场的方法，其中，根据直流电网的状态调节或控制直流电网的直流电压。

Claims (15)

1.一种直流电网(1)，具有电组件，所述电组件借助于导体(6)相互电连接，其中，所述直流电网(1)能够在所述导体(6)的部件(61、62)之间以直流电压(U₁)运行，其中，所述直流电网(1)具有调节器(2)，利用所述调节器(2)能够改变所述直流电网(1)的所述直流电压(U₁)，使得所述直流电压(U₁)的值与所述直流电网(1)的至少一个状态相关，并且借助于所述直流电压(U₁)将关于所述状态的信息传输至所述直流电网(1)的所述电组件，所述电组件包括用电器(5)、储能器(4)和能量源(3)，所述调节器(2)借助取决于所述储能器(4)的充填度(SoC)的第一电压调节因数和/或取决于所述能量源(3)的负荷率的第二电压调节因数来调整所述直流电压(U₁)。

2.根据权利要求1所述的直流电网(1)，其中，所述电组件中的一个是所述直流电网(1)的保护装置(7)。

3.根据权利要求2所述的直流电网(1)，其中，所述保护装置(7)布置在距其余的电组件大于10米的距离处。

4.根据权利要求3所述的直流电网(1)，其中，所述保护装置(7)布置在距其余的电组件大于100米的距离处。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的直流电网(1)，其中，所述电组件的至少一部分由作为能量源(3)的风力发电设备形成，其中，所述风力发电设备分别具有叶片调整装置，所述叶片调整装置的控制设置成根据所述直流电压(U₁)的值来调整叶片。

6.一种风力发电场，具有根据权利要求5所述的直流电网(1)。

7.一种用于运行根据权利要求1至5中任一项所述的直流电网(1)或根据权利要求6所述的风力发电场的方法，其中，根据所述直流电网(1)的状态来调节或控制所述直流电网(1)的直流电压(U₁)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，根据所述直流电压(U₁)的值来改变所述电组件的至少一部分电组件的运行表现。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述直流电压(U₁)随着所述储能器(4)的充填度(SoC)的升高而提高。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述直流电压(U₁)随着所述能量源(3)的负荷率的降低而提高。

11.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在高于第一边界值的情况下，关闭所述直流电网(1)的能量源(3)的一部分。

12.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在低于第二边界值的情况下，使储能器(4)的至少一部分放电。

13.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在低于第三边界值的情况下，以减小的功率运行或者关闭用电器(5)的一部分。

14.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述电组件中的一个是所述直流电网(1)的保护装置(7)，在高于或低于所述直流电压(U₁)的安全边界值的情况下激活所述保护装置(7)。

15.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述电组件的至少一部分由作为能量源(3)的风力发电设备形成，根据所述直流电压(U₁)的值来调整所述风力发电设备的叶片。