CZ18929U1 - Zapojení pro řízení vetrnč elektrárny - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zapojení pro řízení větrné elektrárny a řeší její maximální účinnost při různé intenzitě větru, pokud jde o větrnou elektrárnu pracující v autonomním režimu, který je vhodný pro větrné elektrárny o výkonu do 50 kW.

Dosavadní stav techniky

U větrných elektráren pracujících v autonomním provozu muže být vlastní spotřeba větrné elektrárny pokryta dodávkou elektrického proudu ze sítě nebo může být větrná elektrárna zcela nezávislá na distribuční soustavě, pokud je tato spotřeba kryla ze záložních zdrojů. Výkon asynlo chronního generátoru je buzen kapacitory a je přímo vyveden do zátěže s obecnou impedancí, kterou v případě, kdy se požaduje akumulace energie, představuje usměrňovač a akumulátor.

Je známo, že s ohledem na momentální intenzitu větru lze výkon větrné elektrárny řídit připojováním zátěže po stupních, kdy je velikost impedance jednotlivých stupňů zátěže volena s ohledem na budící charakteristiku elektrického generátoru a velikost zatížení. Okamžik připojení nebo odpojení jednotlivých stupňů zátěže je určován na základě velikosti napětí na svorkách elektrického generátoru.

Nevýhodou tohoto řešení je, že okamžik připojení jednotlivých stupňů zátěže je definován na základě předem nastavené konstantní úrovně napětí, což se projeví tím, že větrná elektrárna nepracuje s optimální účinností.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody řeší zapojení pro řízení větrné elektrárny podle technického řešení, obsahující elektricky generátor, jehož výstup je připojen k nejméně jedné impedanční zátěži, jehož podstatou je, že mezi výstupem elektrického generátoru a vstupem nejméně jedné impedanční zátěže je zapojená spínací jednotka. Druhý vstup spínací jednotky je spojen s výstupem komparátoru úrovní napětí, jehož první vstup je připojen k výstupu elektrického generátoru a jehož druhý vstup je připojen k výstupu bloku pro určení spínacích hladin, S výhodou je mezi výstup elektrického generátoru a první vstup komparátoru úrovně napětí zapojen převodník napětí. Alternativně je podstatou, že komparátor úrovně napětí je opatřen nejméně jedním třetím vstupem pro přivedení informace o hodnotě momentálně připojené impedanční zátěže a o možnostech jejího ío dělení, který je s výhodou připojen ke spínací jednotce a/nebo k nejméně jedné impedanční zátěži. Dle dalších alternativ je podstatou, že blok pro určení spínacích hladin je dále opatřen nejméně jedním vstupem pro přivedení informace o hodnotách dostupných impedančních zátěží, který je s výhodou připojen k nejméně jedné impedanční zátěži, že blok pro určení spínacích hladin je dále opatřen vstupem pro přivedení informace o zatéžovaeíeh charakteristikách elektrického generátoru nebo o přímce optimálního zatěžování, který je s výhodou připojen k zařízení pro měření zatěžovací charakteristiky elektrického generátoru, které je k bloku pro určení spínacích hladin připojeno přes jednotku pro výpočet křivky optimálního zatěžování, a že zařízení pro měření zatěžovací charakteristiky elektrického generátoru je pres první spínač připojeno k výstupu elektrického generátoru. Alternativně je rovněž podstatou, že blok pro určení spínacích hladin je dále opatřen vstupem pro přivedení informace o budící charakteristice elektrického generátoru, který je s výhodou připojen k jednotce pro vyhodnocení budící charakteristiky elektrického generátoru a že jednotka pro vyhodnocení budící charakteristiky elektrického generátoru je přes druhý spínač připojena k výstupu elektrického generátoru.

Výhodou zapojení podle technického řešení je, že při jeho provozu dochází k přepínání jednotli45 vých zátěží v pracovním bodě zatěžovací charakteristiky, tj. v blízkosti přímky optimálního zatěžování. V tomto případě je hodnota limitního napětí pro přepnutí proměnlivá. Tím se dosáhne co největší možné účinnosti.

Přehled obrázku na výkresech

Na obrázku 1 je znázorněno blokové schéma zapojení podle příkladného provedení, zatímco na obrázku 2 je znázorněn graf znázorňující příklad popisu funkce tohoto zapojení.

Příklad provedení technického řešení

Elektrický generátor I je pomocí hřídele 13 spojen s větrným motorem 12. Výstup J_L elektrického generátoru 1 je připojen ke třem impedančním zátěžím 21, 22, 23, a to prostřednictvím spínací jednotky 3, jejíž druhý vstup 32 je spojen s výstupem 43 komparátoru 4 úrovní napětí. První vstup 41 komparátoru 4 úrovní napětí je připojen k výstupu JJ_ elektrického generátoru 1 a druhý vstup 42 komparátoru 4 úrovní napětí je připojen k výstupu 54 bloku 5 pro určení spínacích hlalo din. Mezi výstup U elektrického generátoru 1 a první vstup 44 komparátoru 4 úrovně napětí je zapojen převodník 6 napětí. Komparátor 4 úrovně napětí je opatřen třetím vstupem 44 pro přivedení informace o hodnotě momentálně připojené impedanční zátěže a o možnostech jejího dělení, který je připojen ke spínací jednotce 3. Blok 5 pro určení spínacích hladin je dále opatřen třemi vstupy 531, 532, 533 pro přivedení informací o hodnotách tří dostupných impedančních i5 zátěží 21, 22, 23, které jsou každý samostatně připojeny k jedné z impedančních zátěží JI, 22, 23. Blok 5 pro určení spínacích hladin je dále opatřen vstupem 51 pro přivedení informace o zatěžovací charakteristice nebo o přímce optimálního zatěžování elektrického generátoru 1, který jc připojen k zařízení 7 pro měření zatěžovací charakteristiky elektrického generátoru 1, které je přes první spínač 71 připojeno k výstupu 11 elektrického generátoru 1, přičemž zařízení 7 pro měření zatěžovací charakteristiky elektrického generátoru 1 je k bloku 5 pro určení spínacích hladin připojeno přes jednotku 8 pro výpočet optimální zatěžovací charakteristiky. Blok 5 pro určení spínacích hladin je dále opatřen vstupem 52 pro přivedení informace o budící charakteristice elektrického generátoru 1, který je připojen k jednotce 9 pro vyhodnoceni budící charakteristiky elektrického generátoru 1 a kde jednotka 9 pro vyhodnocení budící charakteristiky elek25 trického generátoru 1 je přes druhý spínač 91 připojena k výstupu H elektrického generátoru 1.

Dále je uveden příklad popisu funkce zapojení dle příkladu, Hodnoty příkonu elektrického generátoru 1 označené na obr. 2 Pg představují mechanický výkon na hřídeli JJ větrného motoru 12. Pri sepnutém druhém spínači 91, nesepnutém prvním spínači 71 a nesepnutém třetím spínači 110 se nejprve změří budící charakteristika elektrického generátoru, představující závislost výstupního ho napětí elektrického generátoru 1 na otáčkách větrného motoru 12. Získané hodnoty se uloží do paměti počítače. Dále se při nesepnutém druhém spínači 91, sepnutém prvním spínači 7} a nesepnutém třetím spínači 110 změří změnou velikosti zatěžovacího odporu při konstantních otáčkách větrného motoru 12 závislosti napětí na výstupu JH elektrického generátoru 1_ na zatěžovacím proudu 71, 22, 73, 74, 75, 76, 77 pro různé úrovně otáček větrného motoru JJ. Z prubě35 hu těchto závislostí se vypočte přímka 85 optimálního zatěžování elektrického generátoru 1, Rovněž přímka 85 optimálního zatěžování elektrického generátoru 1 se uloží do paměti počítače. Elektrický generátor se provozuje při sepnutém třetím spínači 110 a nesepnutém prvním a druhem spínači 91, 71 K dispozici jsou tři úrovně impedančních zátěží, kde první úroveň impedanční zátěže má hodnotu 300 Ohm, druhá úroveň impedanční zátěže má hodnotu 150 Ohm a třetí úroveň impedanční zátěže má hodnotu 100 Ohm. K těmto hodnotám impedančních zátěží vypočte blok 5 pro určení spínacích hladin hodnoty napětí, při kterých může dojít k připojení další zátěže nebo k odpojení některé z již připojených zátěží a to samostatně pro situaci, kdy má výstupní napětí elektrického generátoru 1 kladný a kdy má záporný gradient. Během provozu porovnává komparátor 4 úrovně napětí na výstupu 1J_ elektrického generátoru 1 s hladinami ur45 cenými blokem 5 pro určení spínacích hladin a vydává na základě informace o hodnotě momentálně připojené zátěže pokyn spínací jednotce 3 k připojení další zátěže nebo k odpojení některé z již připojených zátěží. Například může jít o průběh křivky představující změny výstupního napětí elektrického generátoru a změny velikosti odebíraného proudu pri různých zátěžích, pri stoupajícím a posléze zase klesajícím výkonu větrného motoru J2. Při roztáčení větrného motoru ío JJ není k elektrickému generátoru i nejprve připojena žádná impedanční zátěž. Napětí na výstu7 pu 11 elektrického generátoru 1 stoupá podle prvního úseku 120 křivky, přičemž při dosažení napětí 200 V je připojena první impedanční zátěž 21 o velikosti 300 Ohm. Průběh napětí a proudu se změní podle druhého úseku 121 křivky, přičemž při dále stoupajícím výkonu větrného motoru 12 se mění průběh napětí a proudu podle třetího úseku 122 křivky, a to až do dosažení napětí 175 V, kdy dojde k paralelnímu připojení druhé impedanční zátěže 22 o velikosti 300 Ohm, takže celková impedanční zátěž je nyní 150 Ohm. Průběh napětí a proudu se změní podle čtvrtého úseku 123 křivky a napětí na výstupu 1T elektrického generátoru 1 klesne na 130 V. Při dalším stoupání otáček větrného motoru 12 se průběh napětí a proudu mění podle pátého úseku 124 křivky. Při dosažení napětí 215 V dojde k paralelnímu připojení třetí impedanční ío zátěže 23 o velikosti 300 Ohm, Celková impedanční zátěž připojená k elektrickému generátoru je nyní 100 Ohm a napětí na výstupu H elektrického generátoru 1 se změní podle šestého úseku 125 křivky. Při dále stoupajícím výkonu větrného motoru 12 se průběh napětí a proudu mění podle sedmého úseku 126 křivky. V této fázi došlo v důsledku snížení intenzity větru ke snížení výkonu větrného motoru. Při napětí 220 V a proudu 2,15 Λ začal výkon větrného motoru 12 kle15 sat a průběh napětí a proudu se pohyboval podél sedmého úseku 126 křivky zpět.

V okamžiku, kdy pokleslo napětí na hodnotu 120 V, došlo k odpojení třetí impedanční zátěže 23, takže celková impedanční zátěž je nyní 150 Ohm. Průběh napětí a proudu se v této fázi mění podle osmého úseku 127 křivky, a to až do dosažení hodnot odpovídajících pátému úseku 124 křivky. S dalším poklesem výkonu větrného motoru 12 klesá napětí na výstupu elektrického ge20 nerátoru i až na úroveň 100 V, kdy dojde k odpojení druhé impedanční zátěže 22. Celková impedanční zátěž je v této fázi 300 Ohm a průběh napětí a proudu se mění podle devátého úseku 128 křivky. Při dalším poklesu otáček větrného motoru 12 dochází k dalšímu poklesu napětí a proudu podle třetího úseku 122 křivky, a to až do opětovného dosažení hodnoty 100 V, při které dojde k odpojení první impedanční zátěže 21, přičemž se průběh napětí změní podle desátého úseku 129 křivky. Zařízení podle technického řešení opět připojí některou z impedančních zátěží

21, 22, 23, pokud výkon větrného motoru stoupne natolik, že je bez zátěže dosaženo na výstupu generátoru napětí 200 V. Klesá-li nebo stoupá-h výkon větrného motoru 12 při provozu větrné elektrárny, komparátor 4 úrovně napětí vydává pokyny k připojování nebo odpojování zátěží 21,

22, 23 tak, aby se průběh napětí a proudu měnil podle jednotlivých úseků 120, 121, 122. 123,

124, 125, 126, 127, 128, 129 oběma směry, podle toho, zda výkon větrného motoru 12 stoupá nebo klesá.

Průmyslová využitelnost

Technického řešení je možné využít v případech, kdy je k dispozici několik různých impedančních zátěží, z nichž alespoň jedna je v případě nedostatečné energie větru postradatelná nebo může být připojena k jinému zdroji elektrické energie. Dále je možno technického řešení využít v případě, kdy zátěž je akumulační a její okamžité použití se nepředpokládá. Využití technického řešení se předpokládá zejména v případě, kdy je větrná elektrárna používána jako doplňkový zdroj energie rodinného domku, rekreačního objektu nebo malé provozovny.

Claims (9)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   40 1. Zapojení pro řízení větrné elektrárny, obsahující elektrický generátor (11. jehož vystup (11) je připojen k nejméně jedné impedanční zátěži {21, 22. 23), vyznačující se tím, že mezi výstupem (11) elektrického generátoru (1) a vstupem (210, 220, 230) nejméně jedné impedanční zátěže (21. 22, 23) je zapojena spínací jednotka (3), jejíž druhý vstup (32) je spojen s výstupem (43) komparátoru (4) úrovní napětí, kde první vstup (41) komparátoru (4) úrovní na45 pěti je připojen k výstupu (11) elektrického generátoru (1) a druhý vstup (42) komparátoru (4) úrovni napětí je připojen k výstupu (54) bloku (5) pro určení spínacích hladin,

   CZ 18929 Ul
2. 2. Zapojení pro řízení větrné elektrárny podle nároku 1, vyznačující se tím. že mezi výstup (11) elektrického generátoru (l) a první vstup (41) komparátoru (4) úrovně napětí je zapojen převodník (6) napětí.
3. 3. Zapojení pro řízení větrné elektrárny podle nároku 1, vyznačující se tím. že

   5 komparátor (4) úrovně napětí je opatřen nejméně jedním třetím vstupem (44) pro přivedení informace o hodnotě momentálně připojené impedanční zátěže a o možnostech jejího dělení, který je s výhodou připojen ke spínací jednotce (3) a/nebo k nejméně jedné impedanční zátěži (21, 22. 23). “
4. 4. Zapojení pro řízení větrné elektrárny podle nároku 1, vyznačující se tím, že ío blok (5) pro určení spínacích hladin je dále opatřen nejméně jedním vstupem (531, 532, 533) pro přivedení informace o hodnotách dostupných impedančních zátěží (21, 22, 23), který je $ výhodou připojen k nejméně jedné impedanční zátěži (21,22, 23).
5. 5. Zapojení pro řízení větrné elektrárny podle nároku 1, vyznačující se tím, že blok (5) pro určení spínacích hladin je dále opatřen vstupem (51) pro přivedení informace o za15 téžovací charakteristice nebo o přímce optimálního zatěžování elektrického generátoru (1), který je s výhodou připojen k zařízení (7) pro měření zatěžovací charakteristiky elektrického generátoru (1).
6. 6. Zapojení pro řízení větrné elektrárny podle nároku 5, vyznačující se tím, že zařízení (7) pro měření zatěžovací charakteristiky elektrického generátoru (1) je k bloku (5) pro

   20 určení spínacích hladin připojeno přes jednotku (8) pro výpočet přímky optimálního zatěžování.
7. 7. Zapojení pro řízení větrné elektrárny podle nároku 5, vyznačující se tím, že zařízení (7) pro měření zatěžovací charakteristiky elektrického generátoru (1) je přes první spínač (71) připojeno k výstupu (11) elektrického generátoru (1).
8. 8. Zapojení pro řízení větrné elektrárny podle nároku 1, vyznačující se tím. že

   25 blok (5) pro určení spínacích hladin je dále opatřen vstupem (52) pro přivedení informace o budící charakteristice elektrického generátoru (1), který je s výhodou připojen k jednotce (9) pro vyhodnocení budící charakteristiky elektrického generátoru (1).
9. 9. Zapojení pro řízení větrné elektrárny podle nároku 8, vyznačující se tím, že jednotka (9) pro vyhodnocení budící charakteristiky elektrického generátoru (1) je přes druhý

   30 spínač (91) připojena k výstupu (11) elektrického generátoru (1).

   2 výkresy