CN101600880A - 具有逆序***调节机构的风能设备以及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风能设备，该风能设备具有通过转子来驱动的以多相方式产生用于馈入电网中的电功率的发电机、连接到所述发电机和电网上的变频器和与所述变频器共同作用且包括逆序***调节机构(74)的控制***。所述逆序***调节机构(74)具有相位控制模块(75)，该相位控制模块(75)用于以相位所特有的方式来确定所述逆序***的电气值。由此能够按运行状况为所述逆序***中的有效功率或无功功率设置可用的电流。所述逆序***调节机构由此具有相位所特有的特征，从而其能够恰好在不对称的电网条件下有助于电网的稳定。此外，本发明涉及一种具有相应装备的风力发电厂以及一种运行方法。

Description

具有逆序***调节机构的风能设备以及运行方法

技术领域

本发明涉及一种风能设备，该风能设备具有转子、多相的发电机、连接到所述发电机和电网上的变频器和与所述变频器共同作用且包括逆序***调节机构的控制***，本发明还涉及一种相应的风力发电厂和运行方法。

背景技术

在许多电网中早已由风能设备产生一部分可观的电功率。风能设备除了再生的能量产生及有效功率的分散馈入的优点之外还提供这样的优点，即为了在有故障的情况下支持电网也可以分散地由现代的风能设备提供无功功率。由此可以有效地对对称的电网故障作出反应。但是在发生不对称的电网故障时会出现困难。于是会在风能设备的传动系中出现振动。这样的振动增加转子-发电机-***的负荷并且增加风能设备的故障风险。

已经提出，借助于所谓的逆序***调节机构来对由不对称的电网故障引起的转矩振动进行反作用。这样的逆序***调节机构在Magueed，F.等人的“在不平衡的电压跌落下电压源转换器的瞬变性能(Transient Performance of Voltage SourceConverter underUnbalanced Voltage Dips)”一文中得到说明。逆序***在一同旋转的d，q-坐标中形成，因而其变成相同信号。在发电机中出现的电流不对称可以通过相加(Aufaddieren)和反变换(Rücktransformation)来补偿。由此减少转矩振动。然而作为缺点面临这样的问题，也就是在对抗措施(Gegenzug)中出现更大的电压不对称。就这一点而言给电网增加额外的不对称性。

虽然已经公开，作为补救措施可以在电网中设置同步发电机。但是由此产生额外的开销。

发明内容

本发明的任务是，改进开头所述类型的风能设备，从而在出现不对称的电网故障时减少对电网的有害的反作用。

按本发明的解决方案在于独立权利要求所述的特征。有利的改进方案是从属权利要求的内容。

在具有通过转子来驱动的以多相方式产生馈入电网中的电功率的发电机、连接到所述发电机和电网上的变频器以及与所述变频器共同作用且包括逆序***调节机构的控制***的风能设备上，按本发明规定，所述逆序***调节机构具有相位控制模块，该相位控制模块用于以相位特有的方式(phasenspezifisch)确定所述逆序***的电气值。

本发明基于这样的构思，即通过以相位特有的方式将电网划分为正序***和逆序***这种方式能够对电网中的不对称的分量进行调整。本发明由此利用了公开的事实，即可以通过一个具有同步地一同旋转的坐标(正序***)的***、一个反向旋转的***(逆序***)以及一个零序***来描述实际的多相电网。最后提到的零序***不被通常使用的变压器所转换，因而关注所述正序***和逆序***就已足够。在同步地与相位指针(Phasenzeiger)一同旋转的正序***中，电网中的电流和电压的对称的分量作为相同分量来示出，不对称的分量则作为具有双倍的电网频率的分量(在电网频率为50Hz时因而作为100Hz-分量)来示出。这个分量以下简称为100Hz-分量。相应地，在逆序***中不对称的分量作为相同分量来示出，并且对称的分量则作为100Hz-分量来示出。

本发明的核心是在逆序***中设置相位所特有的调节机构。对相位加以顾及可以实现在逆序***中划分为有效分量和无功分量。逆序***中的有效分量在此类似于正序***指的是与所述逆序***相位相同的功率或者电流。相应地，用逆序***中的无功分量来指代与逆序***相位相反的功率或电流。由此能够按运行状况为逆序***中的有效功率或无功功率设置在所述风能设备中可用的电流(该电流大多数受到导电部件的热极限的限制)。利用相位所特有的逆序***调节机构，由此也可以在并且恰好可以在不对称的电网条件下在电网稳定的意义上理想地利用电流。而后不再需要或者仅仅还在更小的范围内需要用于保持电网中稳定性的同步发电机。

原则上公开了在调节风能设备时对有效***和无功***分开研究这种做法，但这局限于电网中(也就是在按这里所使用的术语的正序***中)的对称的条件。对于不对称的条件来说，虽然已经提出，设置一个逆序***调节机构(Saccomando，G.等人：“在可变速度风力涡轮机中在网格干扰下网格连接的电压源变换器的控制和操作(Controland Operation of Grid-connected Voltage Source Converter Under GridDisturbances in Variable-speed Wind Turbines”)，但是这种调节完全以相位所特有的方式进行。它仅仅用于减少由不对称的电网在发电机中引起的不对称的补偿电流。

有利地如此构造所述调节机构，从而在风能设备的标准运行中(也就是在电网故障之外)优先减少所述逆序***的有效分量，并且更确切地说优选尽可能将其减少到数值零。通过逆序***中的尽可能小的有功分量来达到这一点，即减小或者说避免发电机-转子***的从电网中的不对称中产生的转矩振动。由此可以有效地应对传统地在电网中存在不对称时出现的显著的机械负荷。

此外，有利地进一步如此构造所述调节机构，从而在标准运行中将所述逆序***-电流的无功分量调节到不等于零的数值上。优选在此为所述无功分量调节尽可能高的额定值，尤其调节对所述风能设备或者电网来说允许的最大电流。与在有效分量-调节中不同的是，没有调节到尽可能小的数值上，而是追随完全不同的调节目标。按本发明，所述逆序***中的调节机构具有相位所特有的特征，由此才能够为有效分量和无功分量设置不同的调节。

可以以传统的方式来设置正序***中的调节机构。但是，在本发明的一种优选的实施方式中也可以规定，设置一个交叉模块(Crossovermodul)，该交叉模块构造用于将所述逆序***的调节机构与正序***的调节机构相连接。可以规定，在风能设备的负载高且电流相应大时减小逆序***中的电流的无功分量和有效分量，或者甚至不再馈送逆序***-电流。由此可以恰好在负载高时避免风能设备的导电的部件的过载。在出现强风时，可以充分利用风能设备的功率，而在风弱时则为了稳定按本发明将电流通过所述逆序***馈入电网中。优选为此设置一个功率观测装置，该功率观测装置与所述逆序***的相位所特有的调节机构共同作用。该功率观测装置构造用于检测风能设备的相应的负载状态并且确定为进行调节而能够为所述逆序***所用的电流储备。有利地规定，所述逆序***的调节机构仅仅暂时受到限制，并且更确切地说尤其在转子转速高的状况中受到限制。因此可以阻止所述风能设备的变频器的由于中间电路中的过电流或者过电压引起的过载。此外，有利的是能够预先给定一个极限阈值，不对称容忍在该极限阈值以下并且不能通过所述逆序***调节机构调整。为此目的，可以设置阈值开关，该阈值开关可以有利地集成在所述功率观测装置中。

有利地进一步如此构造所述调节机构，从而在出现电网故障时比如在电网中出现不对称的电压扰动时优先对所述逆序***中的无功分量进行调节。通过这种方式，可以对电压不对称进行反作用。可以规定，在有故障的情况下仅仅对逆序***中的无功分量进行调节。当然也可以优选为所述逆序***的调节机构设置一个评估模块。该评估模块构造用于，在出现电网故障时根据电网故障尤其电压不对称的类型和严重性来将可用的电流划分到所述逆序***的有效分量和无功分量上。尤其优选额外地如此构造所述评估模块，从而也将所述正序***的有效分量和无功分量一并考虑在内。也可以设置优先权模块，从而根据所述风能设备的负载及所述逆序***的调节机构的电网故障状况并且必要时也根据所述正序***的调节机构的电网故障状况来预先给定匹配的调节优选权。

有利的是，在标准运行中在原则上馈入尽可能多的正序***中的有效电流；在此优选借助于风能设备的本身公开的力矩调节机构或功率调节机构且必要时在与所连接的电网的电气设定值相匹配的情况下来预先给定所述调节机构的控制值(Führungswerte)。正序***中的无功电流依赖于所馈入的有效电流或者按照电网的电压调节来确定。就这一点而言，调节机构本身是公知的。利用紧接着的优先权，借助于所述逆序***的按本发明的相位所特有的调节机构来计算用于逆序***中的电流的有效分量。由此尤其对发电机和/或变频器的中间电路来说减少振动。如有必要或者有意愿的话，而后可以用次级的优先权来确定所述逆序***的无功分量，以便减少可能出现的不对称的电压。-如果相反发现电网中的故障状况，那么所述优先权模块就预先设定改变的优先权。在此，所述优先权模块可以在电网稳定的优先或设备保护的优先之间区分出与电网故障及目前的运行点之间的依赖性。只要所述优先权模块预先设定电网稳定，那就按所出现的电压的对称的和不对称的分量来优先馈入正序***和逆序***中的无功电流。只要所述优先权模块预先设定设备保护，那就优先馈入正序***中的有效电流，以便能够调节传动系中的振动和/或转速变化。留下的调节储备(Regelreserven)而后可以提供给相应另一个***。此外，可以设置一个专门的划分模块，从而依赖于可用的电流和功率储备来确定所述正序***中的有效电流和无功电流与逆序***中的有效电流和无功电流之间的比例。所述划分模块可以构造为动态结构，或者可以实施表格形式的静态(Statik)。

所述风能设备的控制***优选包括有待调节的线路的模型。有利的是，为所述逆序***的相位所特有的调节机构实现尤其发电机自己的线路模块。已经表明，尤其所述发电机的转子的主要特性具有显著的频率依赖性，在此可以通过自身的线路模块以理想的方式尤其鉴于100Hz振动对所述频率依赖性加以考虑。

此外，本发明涉及一种风力发电厂，在该风力发电厂中分散地在一个或者多个风能设备上在逆序***中进行相位所特有的调节或者在一个中央的控制***(发电厂主机)中设置相位所特有的调节。

此外，本发明涉及一种相应的用于运行风能设备和/或风力发电厂的方法。为进行解释，参照上面的说明，这些说明在意义上也适用于该方法。

附图说明

下面借助于有利的实施例在参照附图的情况下对本发明进行解释。其中：

图1是按本发明的风能设备的示意图；

图2是按本发明的风力发电厂的示意图；

图3是具有逆序***调节机构的变频器控制***的框图；并且

图4是按图3的调节机构的结构详图。

具体实施方式

图1示出了一台按本发明的实施例的风能设备1。该风能设备1包括一个以能够旋转的方式布置在塔架10上的机器间11，转子2则以能够旋转的方式布置在该机器间11的一个端面上。该转子2通过转子轴3驱动发电机4，而所述发电机4则在所示出的实施例中构造为双重馈电的异步发电机。所述发电机以其定子连接到连接导线9上，所述连接导线9通过可选的变压器与供电电网99相连接。此外，设置了变频器5，所述发电机的转子通过该变频器5与所述连接导线9相连接。

设置了控制***6，该控制***6构造用于对所述风能设备进行操纵。该控制***6通过未详细示出的信号线与所述风能设备的部件相连接。所述控制***6拥有通信接口，从而能够通过电话线或数据线进行遥控。此外，所述通信接口在安装在风力发电厂中的风能设备上用于与发电厂主机8进行通信。所述控制***6尤其用于控制所述变频器5并且为此具有变频器控制模块7。在此未示出可能存在的外部的补偿模块(例如静止同步补偿器Statcom，静止无功补偿器SVC)，所述补偿模块同样可以作为无功功率源布置在发电厂中。

为了对所述变频器模块7的结构及作用原理进行解释，尤其参照图3。在通往电网99的连接导线9上布置了用于电压及电流的测量传感器。将测量值加载到所述变频器控制模块7的输入端上。此外，将用于电网99或连接导线99中相位Θ的信号加载到一个输入端上。在所述变频器模块7的输入级中，将坐标转换为旋转的***。为此，设置了一个用于电压值的转换的程序块71和一个用于电流值的转换的程序块72。以本身公知的方式转换为一个与相位同步旋转的***(正序***)和一个反向旋转的***(逆序***)。在此作为相同分量(Gleichanteil)示出了正序***中的电压及电流的对称的分量，并且作为具有相应于电网频率的双倍的频率(也就是在50Hz-电网中为100Hz并且在60Hz-电网中为120Hz)的交流分量示出了不对称的分量。下面将这种交流分量称为100Hz-分量。电压及电流的不对称的分量在逆序***中作为相同分量示出，并且对称的分量作为100Hz-分量示出。借助于相应的滤波器(低通滤波器、带通滤波器等)可以将所述100Hz-分量过滤出来。于是在所述程序块的输出端上仅仅输出正序***和逆序***中的相同参量(通过下标字母p或n来辨别)，并且更确切地说作为所谓的d，q-坐标来输出。所述程序块71输出正序***和逆序***中的电压值并且程序块72输出正序***和逆序***中的电流值。

在传输到所述d，q-坐标系中的用于电压及电流的参量中，将正序***的电压和电流值加载到正序***-调节程序块73上。所述正序***-调节程序块73在其结构和功能上在很大程度上相当于在常规的无逆序***-调节机构的风能设备上设置的调节机构。因此不必进行详细解释。将所述逆序***的电压及电流值加载到逆序***-调节程序块74上。该逆序***-调节程序块74包括一个相位模块75，该相位模块75为所述逆序***-调节程序块提供基于电网中相位Θ的信号。下文将对关于所述逆序***-调节程序块74的结构的细节进行解释。

所述逆序***-调节程序块在其输出端上提供用于逆序***中电流的有效分量及无功分量Iw_n及Ib_n的调节信号以及用于正序***中无功电流Ib_p的数值。用于正序***中无功电流Ib_p的数值与本身以公知的方式构成的正序***-调节程序块73的输出信号共同作用。这两个调节程序块的输出信号在考虑到电网中的相位Θ的情况下借助反变换程序块77、78相应单独地转换为固定的二维坐标系。在这个坐标系中，在一个加法元件79上将用于正序及逆序***的数值相加，并且最后通过另一个坐标转换程序块80换算为三相的***，并且作为控制信号加载到所述变频器上，更准确地说加载到一个对所述变频器5进行控制的脉宽调制器55上。

为进一步对调节程序块73、74进行解释，在此参照图4。在此额外示出了用于多个额定信号的输入端，更确切地说多个额定信号是指：作为极限值起作用的用于逆序***中的电流的有效分量的额定值(IwMax_n)、用于正序***中的有效功率的额定值(Ps_p)、作为极限值起作用的用于逆序***中的电压的额定值(UMax_n)以及用于正序***中的电压的额定值(Us_p)。

所述调节程序块73、74分别具有调节器核心83、84，所述调节器核心83、84则分别包含一个线路模型(Streckenmodell)。用于正序***和逆序***的分开结构能够实现这一点，即对于逆序***来说在该逆序***的调节器核心84中设置了一个和在正序***的调节器核心83中相比不同的线路模型。由此尤其可以对这样的在正序***和逆序***之间如其比如从所述发电机4的依赖于频率的转子电阻中产生的一样的差别加以顾及。

此外设置了一个功率观测装置81。它用于根据风能设备的负载状态确定还允许的用于有效电流及无功电流的极限值，并且更确切地说有利地不仅为所述正序***而且为所述逆序***确定还允许的用于有效电流及无功电流的极限值。在所述功率观测装置81上设置了用于逆序***中无功电流Ib_n、用于正序***中无功电流Ib_p以及用于正序***中电压值U_p的输入端。此外，设置了一个用于允许的最大电流I_max的极限值信号。所述功率观测装置81从中确定由所述风能设备输出的有效功率并且在考虑到允许的最大电流I_max的情况下进一步计算用于逆序***及正序***中的无功分量及有效分量的极限值。所述极限值被加载到相应的限制器模块85、86、87和88上。输出信号是正序***及逆序***中的无功分量及有效分量Ib_p、Ib_n、Iw_p和Iw_n。此外，所述功率观测装置81包括一个阈值开关，该阈值开关容忍在特定的电压带ΔU之内的不对称并且就这一点而言使逆序***调节机构不起作用。

为所述调节器核心83、84配设了一个优先权模块82。该优先权模块82构造用于在与所述功率观测装置81及一个电网故障探测器80共同作用的情况下对逆序***以及也优选正序***中的电流分量进行评估。

其中运行方式如下：

在所述风能设备的标准运行中，提供尽可能多的正序***中的有效电流。由此应该根据相应存在的风的条件将最高尺度的得到改进的功率馈入所述电网99中。逆序***中的有效分量应该尽可能降低到零，以便对传动系的有害的且增加材料负荷的100Hz的振动进行反作用。相反，所述逆序***的无功份额则应该调节到对所述风能设备或电网99来说最大允许的数值上。利用所述功率观测装置81可以根据所述风能设备的负载状态来改变逆序***中的电流。因此可以规定，在刮大风时并且由此(至少短暂地)在正序***中出现高电流时仅仅很少或者根本不馈送逆序***中的有效分量及无功分量。由此可以恰好在高负载的时间里避免所述变频器5的比如由于该变频器5的中间电路中的过高电流或者过高电压振幅引起的过载。由此产生以下优先权：正序***中的有效电流的馈入应该获得最高优先权，更确切地说通常根据通过上一级的调节机构确定的设定值来获得最高优先权。为电网99中的电压或频率调节提供正序***中的无功电流这种操作应该获得第二最高优先权。逆序***中的有效电流应该获得第三优先权，用于防止振动。为所述逆序***留下的电流从正序***中的电流与允许的最大电流之间的差值中计算出来。最后，所述逆序***电压的进一步降低应该获得第四优先权。为此在所述逆序***中提供的无功电流的数值从留下的电流与其有效电流分量之间的矢量的差值中来确定。

在要么可能由所述电网故障探测器80发现电网故障要么可能通过电网运营商的发电厂主机或调度台的相应的信号显示电网故障的情况下，利用所述优先权模块82设置了电流的另一种划分方法。根据电网故障和目前的运行点，所述优先权模块82在电网稳定的优先与设备保护的优先之间进行区分。只要所述优先权模块预先设定设备保护，那就优先馈送正序***中的有效电流，以便能够调节传动系中的振动和/或转速变化。只要所述优先权模块预先设定电网稳定，那就按所出现的电压的对称分量和不对称分量来优先馈送正序***及逆序***中的无功电流。在正序***中的无功电流Ib_p和逆序***中的无功电流Ib_n之间进行评估。前者在电网中起到稳定电压的作用，后者则用于减少电压不对称。可以借助于表格、综合特性曲线、***模型或者借助于公式来进行评估。正序***中的无功电流与逆序***中的无功电流之间的比例可以如以下示例那样来计算(用标准化的参量)

I_{b_p}＝0.5

I_{b_n}＝0.7

$\mathrm{kI}=\frac{I_{b\_p}}{I_{b\_n}}$

用以下公式来将可用的电流划分到正序***中的无功电流或逆序***中的无功电流上：

I＝I_p+I_n

$I_p=\sqrt{I_{w\_p}^2+I_{b\_p}^2}$

$I_n=I_{b\_n}=\frac{I_{b\_p}}{\mathrm{kI}}$

$I=\sqrt{I_{w\_p}^2+I_{b\_p}^2}+\frac{I_{b\_p}}{\mathrm{kI}}$

由此在有故障的情况下不仅可以在电网中达到良好的稳定性而且可以针对有害的100Hz的振动对传动系进行有效缓冲。

Claims (16)

1.风能设备，具有通过转子(2)来驱动的以多相方式产生用于馈入电网(99)中的电功率的发电机(4)、连接到所述发电机(4)和电网(99)上的变频器(5)和与所述变频器(5)共同作用且包括逆序***调节机构(74)的控制***(6、7)，

其特征在于，

所述逆序***调节机构(74)具有相位控制模块(75)，该相位控制模块(75)用于以相位所特有的方式来确定逆序***的电气值。

2.按权利要求1所述的风能设备，

其特征在于，

所述逆序***调节机构(74)包括有效功率调节器。

3.按权利要求2所述的风能设备，

其特征在于，

所述逆序***调节机构的有效功率调节器具有额定值输入端，在该额定值输入端上优选加载等于零的数值。

4.按前述权利要求中任一项所述的风能设备，

其特征在于，

所述逆序***调节机构包括无功功率调节器。

5.按权利要求4所述的风能设备，

其特征在于，

所述无功功率调节器具有额定值输入端，在该额定值输入端上优选加载不等于零的数值。

6.按前述权利要求中任一项所述的风能设备，

其特征在于，

设置了功率观测装置(81)，该功率观测装置(81)用于根据所述风能设备(1)的负载及允许的用于电流的最大值来确定可用的功率和/或可用的电流。

7.按权利要求6所述的风能设备，

其特征在于，

所述功率观测装置(81)以其输出端连接到所述逆序***调节机构(74)的额定值输入端上，优选连接到所述逆序***调节机构(74)的无功功率调节器上。

8.按权利要求6或7所述的风能设备，

其特征在于，

设置了限制模块(86、88)，该限制模块(86、88)用于依赖于所述功率观测装置(81)来限制所述逆序***中的有效分量和/或无功分量。

9.按前述权利要求中任一项所述的风能设备，

其特征在于，

设置了阈值开关，该阈值开关如此作用于所述逆序***调节机构(74)，从而不对称容忍在可预先给定的阈值之下。

10.按权利要求9所述的风能设备，

其特征在于，

所述阈值开关集成在按权利要求6所述的功率观测装置(81)中。

11.按前述权利要求中任一项所述的风能设备，

其特征在于，

设置了交叉模块(82)，该交叉模块(82)用于将所述逆序***的调节机构与所述正序***的调节机构连接起来。

12.具有多个风能设备(1)及一个发电厂调节机构(8)的风力发电厂，其中所述风能设备(1)分别具有通过转子(2)来驱动的以多相方式产生用于馈入电网中的电功率的发电机(4)、连接到所述发电机(4)和电网(99)上的变频器(5)和与所述变频器(5)共同作用的控制***(6、7)，

其特征在于，

所述发电厂调节机构(8)分散地或者集中地具有带有相位控制模块(75)的逆序***调节机构，所述相位控制模块(75)用于以相位所特有的方式确定所述逆序***的电气值。

13.按权利要求12所述的风力发电厂，

其特征在于，

设置了根据权利要求2到11中任一项所述的逆序***调节机构。

14.按权利要求12或13所述的风力发电厂，

其特征在于，

在将外部的无功功率调整器考虑在内的情况下设置所述风力发电厂中的逆序***调节机构。

15.用于调节风能设备的方法，所述风能设备具有通过转子来驱动的以多相方式产生用于馈入电网中的电功率的发电机、连接到所述发电机和电网上的变频器和与所述变频器共同作用的控制***，该方法具有以下步骤：

为电网的相位检测电流和电压，

转换为一个正序的***和一个逆序***，

其特征在于逆序***中的相位所特有的调节。

16.按权利要求15所述的方法，

其特征在于按权利要求2到11中任一项所述的逆序***调节机构的应用。

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