CN101994660B - 具有可变旋转速度特性的风能设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有可变旋转速度特性的风能设施。本发明涉及一种风能设施，具有风轮、被风轮驱动的双馈异步发电机，并且具有转换器和被设计成确定用于操作旋转速度(n)的操作扭矩(T)的控制器。根据本发明，频率自适应扭矩限制器具有用于过频率或者欠频率的分类器、被设计成在频率差异的情形中减小最大扭矩(Tmax)的扭矩移位器，和在欠频率下阻止扭矩移位器的抑制器，并且提供了频率依赖旋转速度限制器，频率依赖旋转速度限制器与分类器交互从而在过频率下仅仅下限旋转速度(nmin)被增加，并且在欠频率下仅仅上限旋转速度(nmax)被降低。结果，仅仅相对于容许极限数值、特别是最大数值而非在整个操作范围内调整了操作扭矩。

Description

具有可变旋转速度特性的风能设施
技术领域
本发明涉及一种风能设施，该风能设施具有风轮(wind rotor)、被风轮驱动的双馈异步发电机，并且具有包括发电机侧逆变器(inverter)和电网侧逆变器的转换器以及控制器，该控制器被设计成确定用于操作旋转速度的操作扭矩，该操作扭矩不超过最大扭矩，并且进而具有电网频率探测器。
背景技术
现代风能设施被设计用于可变旋转速度，并且为此目的设有转换器。通常，它们具有双馈异步发电机，其定子被永久地连接到电网，并且转子经由转换器而被连接到电网。这允许发电机不仅在对应于电网频率的旋转速度下而且还在比相应于电网频率的旋转速度更低的旋转速度(或者由其决定的同步旋转速度)下操作，或者在比相应于同步旋转速度的旋转速度更高的旋转速度下操作。在实际旋转速度和由电网频率决定的同步旋转速度之间的相应差异被称作转差率。±30％或者在一些情形中甚至更大的转差率数值对于现代风能设施而言是正常的。风能设施因此能够在宽的旋转速度范围内操作。
对于确定转差率而言重要的同步旋转速度在实际电网上的实际操作期间不是恒定的，而是经历与电网频率相同的波动。例如，当在电网中发生过频率(overfrequency)时，则同步旋转速度相应地向上移位，并且反之亦然。如果结果转差率数值变得太高或者太低，则存在过载和损坏风能设施构件的风险。根据现有技术，用以避免这点的各种补救区域是已知的。
第一措施是基于分别地最差的极端情形设计风能设施的构件，即对于最大容许电网频率差异加以考虑。最后，这导致对构件的经计划的过度设计(overengineering)，并且因此在生产成本方面是相应地昂贵的。进而，当特性被与最差的情形匹配时，这导致在额定频率下的操作是低于最佳状态的，从而产生产出损失。另外，基于极端情形的这种设计仍然是完全地不充分的，并且进而稳态旋转速度范围应该被与电网频率匹配从而当实际欠频率(underfrequency)发生时在过度转子转差率的情形中、特别地在较重负载的情形中防止过载。
US 2007/069522A1公开了一种用于特性调整的不同的方案。电网频率得以测量从而确定是否存在过频率或者欠频率情况，从而作为其函数朝向同步点移位旋转速度/扭矩特性。这降低了实际上发生的转差率。全部特性因此作为实际电网频率的函数得以调整。这具有以下缺点，即，这个调整作用于整个操作范围内，由于不必要的降低，这能够同样地产生产出损失，如已经在上面关于基于极端情形的静态设计描述地。进而，这对于特定的操作状态例如对于过频率和高负载组合仅给出并不充分的保护。
特别地对于这种危急性操作情况不能保证足够的保护。
发明内容
针对以上刚刚引用的现有技术的背景，本发明是基于以下目的，即，指定一种改进的风能设施和一种减轻了上述缺点的操作方法。
根据本发明的方案在于独立权利要求的特征。有利的改进是从属权利要求的主题。
在这样一种风能设施的情形中，该风能设施具有风轮、被风轮驱动的双馈异步发电机，并且具有包括发电机侧逆变器和电网侧逆变器的转换器，以及被设计成确定用于操作旋转速度的操作扭矩的控制器，该操作扭矩不超过最大扭矩，本发明提供一种频率自适应扭矩限制器，该扭矩限制器具有用于容差范围(tolerance band)外的过频率或者欠频率的分类器、被设计成在频率差异的情形中减小最大扭矩的扭矩移位器(toque shifer)，和在欠频率下阻止扭矩移位的抑制器(inhibitor)，以及用于频率差异的信号被施加到其输入并且与分类器交互从而在过频率下仅仅下限旋转速度被增加并且在欠频率下仅仅上限被降低的频率依赖旋转速度限制器。
本发明是基于以下思想，即，并不在整个操作范围内调整(adapt)操作扭矩，而是仅仅相对于容许极限数值特别是最大数值执行所述调整，但是这种调整并非是以静态方式执行的，而是作为实际上发生的频率差异的函数以动态方式执行的。这使得关联在前已知的方案选项的在以前相矛盾的优点并且因此减小它们的各自的缺点成为可能。特别地，动态限制避免了总是发生的产出损失的缺点，例如在过去当对于最差的情形进行设计时已经在前地不可避免地发生的那些。因为仅仅极限数值而非整个特性在整个操作范围内移位，所以损失能够被进一步降低。
本发明以两种方式操作。在一方面，容许旋转速度范围被与电网频率中的相应变化匹配。这保证了并不偏离转换器的容许操作范围。当过频率发生时，容许旋转速度范围的下限因此增加，从而在转换器的操作极限内保持转差率。无需改变容许操作范围的最大极限，因为当过频率发生时，较低的转差率数值在这里在任何情形中发生。相应地，当欠频率发生时，容许旋转速度范围的最大极限被改变，更加精确地，这是通过将其降低至这种程度，即使得最大转差率不被欠调(undershot)。在实践中，这有利地是通过与电网频率差异成比例地实现降低而得以进行的。容许旋转速度范围的最小旋转速度并不需要被调整，因为在欠频率的情形中，较低的转差率数值在这里将在任何情形中发生。对于在每一情形中仅仅一个最大极限的变化的这个限制在一方面当相应的极端操作状况发生时提供了保护免于不可接受地高的数值，而在另一方面，操作方式在正常状态中保持不变。因此在正常操作期间无需担心产出损失。
第二方面在于除了容许旋转速度范围的调整之外的、另外的容许旋转速度范围的扭矩极限、更加精确地是最大容许扭矩的调整。为此目的提供了扭矩移位器。扭矩移位器作为实际旋转速度和确定的过频率的函数改变最大容许扭矩。这意味着即使当过频率发生时转差率依赖最大容许扭矩也不被过调(overshot)。根据本发明，当欠频率发生时，抑制器阻止所述调整，从而防止最大扭矩在欠频率下升高，最大扭矩在欠频率下升高能够导致其它构件过载。这意味着，在此情形中，特意地非对称调整得以实现，特别地仅当过频率发生时，但是当欠频率发生时无任何调整得以实现。因为，再一次地，仅仅最大数值受到影响，而非在正常条件期间的操作，本发明意味着与正常操作相比无任何产出损失。
扭矩移位器优选地与旋转速度修改器交互，旋转速度修改器被设计成产生经修改的旋转速度信号，该经修改的旋转速度信号从实际操作旋转速度改变了依赖于频率差异的校正数值，并且经修改的旋转速度信号被施加到发出最大扭矩的旋转速度依赖最大扭矩元件。这特别地适用于其中例如利用查表或者特性元件而作为旋转速度的函数确定最大容许扭矩的实施例。为了避免改变表格或者特性元件(这可能涉及用于编程和调整的相当的成本)本质上未被改变的特性元件或者表格具有被施加于其的、经改变(修改)的旋转速度信号。在此情形中，旋转速度信号是作为频率差异的函数而被修改的。当频率处于额定数值时，则旋转速度信号不被改变；在形式为过频率的频率差异的情形中，旋转速度信号被相应地减小，并且当欠频率发生时，它被相应地增加。这个技巧产生了相应于作为在转子的实际旋转速度和如由瞬时电网频率限定的同步旋转速度之间的差异而必须被转换器补偿的旋转速度(或者频率)的、经修改的旋转速度信号。因此，转换器不仅最优地独立于电网频率地得以利用，而且还被保护而免于过载。
旋转速度修改器有利地具有用于最大容许频率的输入，并且提供了将旋转速度修改限制为最大容许频率的饱和元件。这防止了能够对于设施中的其它构件产生损坏的过度调整。在此情形中，有利地如此设计饱和元件，即使得应用对于额定频率的数值作为下限，并且应用对于最大容许电网频率的数值作为上限。
分类器优选地被设计成在满载下阻止旋转速度修改。除了在非常的操作条件中例如在阵风的情形中的过度旋转速度之外，在满载下基本上存在过载的风险。以此方式进行阻止因此使得保证在满载下实现全产出成为可能。
设计旋转速度修改元件以使用额定电网频率与实际电网频率的比率从真实旋转速度形成经修改的旋转速度信号，并且有可能对于饱和元件加以考虑也是可能的。因此能够以特别简单的和有利的方式修改旋转速度。
本发明进而涉及一种相应的方法。为了更加详细的解释，对于以上陈述进行参考。
附图说明
将使用示例性实施例并且参考绘图在以下文本中更加详细地解释本发明，其中：
图1示出根据本发明的一个示例性实施例的风能设施的概观示意；
图2示出用于如在图1中所示的风能设施的控制的框图；
图3示出如在图1中所示的风能设施的旋转速度/扭矩图表；
图4示出用于根据第二示例性实施例的控制的框图；并且
图5示出可替代的旋转速度/扭矩图表。
具体实施方式
该风能设施具有塔架10，在其上端处，容器11被如此布置，使得它能够沿着方位方向回旋。风轮12被如此布置，使得它能够在容器11的端面上旋转，并且经由转子轴13驱动被设计成将机械能转换成电能的发电机。在所示出的示例性实施例中，这是与转换器15交互的双馈异步发电机14。由带有转换器15的发电机14产生的电力经由连接线路16而被发出到在风能设施的塔架10的支脚处布置的变压器17。变压器17被连接到配电网9，配电网9可以是用于风电场的内部电网或者公共电力传输电网。
进而，控制器2被布置于容器11上、经由信号线路(未被示意)连接到风能设施的各种构件并且控制它们。进而，控制信号被施加到控制器2，这些控制信号是从上级控制实体、特别是风电场控制***或者供电公司的电网控制中心经由基于电缆的或者无线的连接链路21获得的。控制器2被设计成根据支配性环境条件、特别是风速而限定风能设施的操作点，风能设施在所述操作点处进行操作。特别地，这包括作为瞬时旋转速度的函数确定扭矩T并且经由转换器15作为电气额定扭矩将其传送到发电机14的功能性。另外的功能性是作为旋转速度的函数确定最大容许扭矩Tmax。
在双馈式异步发电机的情形中，例如在所示出的示例性实施例中使用的那些，在操作期间转差率s发生。这个转差率依赖于发电机14的实际旋转速度n和由以电网频率回转的场的旋转速度产生的、所谓的同步旋转速度nsync。这个转差率是来自同步旋转速度的旋转速度差异的幅度除以同步旋转速度：
s = n - n sync n sync
在此情形中，n是发电机14的实际(机械)旋转速度，并且nsync是从电网频率产生的同步旋转速度。当风能设施在低于同步旋转速度的旋转速度下操作时，则这被称作次同步操作；相反，当风能设施在高于同步旋转速度的旋转速度下操作时，这被称作超同步操作。
同步旋转速度nsync对于电网频率f的依赖性意味着当电网频率改变时同步旋转速度同样地改变。当机械旋转速度在超同步范围中保持恒定时，高于额定频率的电网频率(过频率)因此导致同步旋转速度上升，并且因此导致转差率降低，然而相反在次同步操作期间转差率增加。当电网频率降至额定频率的数值(欠频率)时，发生相反的情况。在超同步操作期间当机械旋转速度恒定时同步旋转速度的相应的降低导致转差率增加，而在次同步操作期间转差率降低。
控制器2具有用于确定与机械旋转速度n有关的额定扭矩T的元件22，和确定与所施加的用于实际旋转速度ni的信号有关的、相应最大容许扭矩Tmax的限制扭矩确定装置23。这个确定装置可以具有代数函数、优选地查表(LUT)或者特性元件的形式。在图2所示的示意图中，查表(LUT)被提供用于确定装置23。在其中实现了在图3中如由实线示意的函数。如能够看到地，用于最大容许扭矩Tmax的一个数值在每一情形中被分配用于在风能设施的最小操作旋转速度nmin和最大操作旋转速度nmax之间的每一个旋转速度n。在此情形中产生的最大扭矩Tmax的分布(profile)在同步旋转速度nsync处具有拐点。
现在将参考图2，除了本质上已知的最大扭矩确定装置23，图2示出根据本发明的频率自适应限制器件3。这个限制器件3包括分类器31，向其施加了关于电网9的额定频率fN的输入信号，以及关于实际上支配性的频率f的、来自电网频率探测器的测量信号。分类器31被设计成使用这些信号来在过频率的情形中发出正频率差异信号+Δf，并且当负频率差异发生时发出负差异信号-Δf。正差异信号+Δf被施加到扭矩移位器32的输入，扭矩移位器32被设计成当过频率发生时作为频率差异的函数确定作为输出信号发出的最大扭矩校正数值ΔTmax。经由在正常状态中闭合(close)的抑制器33，这个信号带有负的数学符号地被施加到求和元件34。由最大扭矩确定装置23确定的最大扭矩Tmax因此降低了由扭矩移位器32确定的扭矩校正数值ΔTmax，因此形成经修改的最大数值Tmax*。相反，当分类器31发现欠频率已经发生时，抑制器33经由相应地由分类器31发出的输出信号操作。因此最大扭矩Tmax的数值变化得以阻止，从而在欠频率的情形中不发生任何调整。因此在过频率的情形中发电机/转换器***14、15的扭矩受到限制，但是当欠频率发生时最大容许扭矩保持不变。
还提供了频率依赖旋转速度限制器4。这个旋转速度限制器4包括下分支41和上分支42。再一次地，由分类器31确定的正频率差异和负频率差异+Δf和-Δf的信号被施加到它的输入。正频率差异的信号在此情形中被施加到下限制器模块41，而非上限制器42。这意味着当过频率发生时额定旋转速度下限的增加，并且额定旋转速度的上限nmax保持不变。相反，欠频率的差异信号被排他地施加到上限制器模块42，因此当欠频率发生时额定旋转速度的上限nmax降低，并且当欠频率发生时额定旋转速度的下限nmin保持不变。
这意味着当频率差异发生时稳态旋转速度范围得到调整。当过频率发生时，下限nmin因此增加，因此防止不可接受地高(负)的转差率数值发生。在此情形中，上旋转速度极限保持不变。相反，当欠频率发生时，上旋转速度极限降低。这也意味着无任何不可接受地高(正)的转差率数值发生。在限制器模块41、42中实现的限制功能优选地被如此设计，即使得额定旋转速度ns相应于在实际电网频率和额定电网频率之间的百分比差异而得到调整。
进而，扭矩移位器32和抑制器33保证了当过频率发生时容许扭矩降低，而当欠频率发生时最大容许扭矩不被改变。这保证了即使当过频率发生时转差率依赖扭矩极限也不被过调。在图3中由短划线示出关于最大扭矩和在限制之后的旋转速度的相应的特性的分布。
图4示出带有限制器件3的第二示例性实施例。这个限制器件设有集成构件，确切来说是旋转速度修改元件38和饱和元件37。如由电网频率探测器确定的实际频率f、额定电网频率fN  和作为一个特殊的特征的最大容许电网频率fmax的输入信号被施加到饱和元件37的输入。额定频率在此情形中形成饱和元件37的下限数值，并且最大容许频率fmax形成其上限数值。所施加的实际上支配性电网频率f的测量信号因此经由饱和元件37而被处理，并且作为饱和频率信号f*而被发出。这被施加到旋转速度修改元件38的除法器(divisor)输入。旋转速度修改元件38另外具有两个乘法器输入。额定频率fN的信号被施加到乘法器输入之一，并且发电机14的实际旋转速度n的信号被施加到另一乘法器输入。现在利用以下函数形成了经修改的旋转速度信号n*：
n * = n × f N f *
这个经修改的旋转速度信号被施加到最大扭矩元件23’的输入。这能够被如上所述地设计，或者如在图4示意的示例性实施例中，可以具有特性元件的形式。这响应于所施加的(经修改的)旋转速度信号n*发出对于容许扭矩的、相关联的最大数值Tmax。在该实施例中，通过计算合成中间变量，具体来说是经修改的旋转速度信号n*，两种功能性、具体来说是旋转速度限制和扭矩限制这两者能够以特别简单的和精巧的方式实现。图5示出对于比较复杂的扭矩限制特性的相应的移位的一个实例(在额定频率处的实线和在过频率处的短划线)。

Claims (7)

1.一种风能设施，具有风轮(12)、被风轮(12)驱动的双馈异步发电机(14)，并且具有转换器(15)和被设计成确定用于操作旋转速度(n)的操作扭矩(T)的控制器(2)，所述操作扭矩不超过最大扭矩(Tmax)，
其中
频率自适应扭矩限制器(3)具有用于过频率或者欠频率的分类器(31)、被设计成在频率差异的情形中降低最大扭矩(Tmax)的扭矩移位器(32)，和在欠频率下阻止扭矩移位(32)的抑制器(33)，并且
提供了频率依赖旋转速度限制器(4)，该频率依赖旋转速度限制器(4)与分类器(31)交互从而在过频率下仅仅下限旋转速度(nmin)增加，并且在欠频率下仅仅上限旋转速度(nmax)降低，
并且其中
通过信号线路将所述控制器与所述风轮、所述发电机以及所述转换器相连接以使得所述控制器控制这些构件；
所述控制器包括所述频率自适应扭矩限制器和所述频率依赖旋转速度限制器；
所述频率依赖旋转速度限制器经由所述信号线路分别增加和降低所述风轮的所述下限旋转速度和上限旋转速度；以及
所述发电机与所述转换器交互以产生电力。
2.根据权利要求1的风能设施，
其中
提供了最大扭矩元件(23)，并且最大扭矩元件(23)具有特性元件或者查表的形式。
3.根据权利要求1的风能设施，
其中
提供了旋转速度修改元件(38)，并且旋转速度修改元件(38)被设计成产生经修改的旋转速度信号(n*)，所述经修改的旋转速度信号(n*)从实际操作旋转速度(n)改变了频率差异依赖校正数值，并且所述经修改的旋转速度信号(n*)被施加到发出旋转速度的最大数值的旋转速度依赖最大扭矩元件(23)。
4.根据权利要求3的风能设施，
其中
旋转速度修改元件(38)与在频率自适应扭矩限制器(3)中提供的频率限制器(37)交互，最大容许频率、额定频率和实际频率的信号被施加到频率限制器(37)的输入。
5.根据前面权利要求之一的风能设施，
其中
分类器(31)被如此设计，即使得当存在在容差范围内的差异时，频率依赖旋转速度限制器(4)是不起作用的。
6.一种用于操作风能设施的方法，所述风能设施具有风轮(12)、被风轮(12)驱动的双馈异步发电机(14)，具有转换器(15)和控制器(2)，操作扭矩(T)得以确定从而控制风能设施处于操作旋转速度(n)，所述操作扭矩不超过最大扭矩(Tmax)，并且电网频率(f)得以确定，
包括
确定任何频率差异并且将其分类成过频率或者欠频率，
作为频率差异的函数降低最大扭矩(Tmax)，在欠频率下阻止这种降低，并且
作为识别的频率差异的函数限制旋转速度，从而当过频率发生时，仅仅下限旋转速度被升高，并且当欠频率发生时，仅仅上限旋转速度被降低，
其中
通过信号线路将所述控制器与所述风轮、所述发电机以及所述转换器相连接以使得所述控制器控制这些构件；
所述控制器包括所述频率自适应扭矩限制器和所述频率依赖旋转速度限制器；
所述频率依赖旋转速度限制器经由所述信号线路分别增加和降低所述风轮的所述下限旋转速度和上限旋转速度；以及
所述发电机与所述转换器交互以产生电力。
7.根据权利要求6的方法，
其中
使用根据权利要求2到5之一的频率依赖旋转速度限制器(4)。
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