CN107112920B - 用于产生交变电流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生交变电流(iG)的方法，所述方法包括如下步骤：产生多个子电流(i1，i2，in)，和将子电流(i1，i2，in)叠加成总电流(iG)，其中利用调制法产生子电流(i1，i2，in)中的每个子电流，调制法使用具有公差极限(T1，T2)的公差带法，并且公差极限(T1，T2)是可变的。

Description

用于产生交变电流的方法
技术领域
本发明涉及一种用于产生交变电流的方法，所述交变电流用于馈入到供电网中。此外，本发明涉及一种相应的馈入设备。本发明也涉及一种具有这种馈入设备的风能设施。
背景技术
特别对于风能设施已知的是，通过如下方式产生用于馈入到供电网中的交变电流：多个逆变器分别产生子电流，和将这些子电流叠加成总电流，和将所述叠加的总电流馈入到电网中。
这种子电流借助于调制法产生，所述调制法也能够称作脉宽调制。用于产生这种交变电流的基本的方法是所谓的三角波调制。在此，略微简化地说，给期望的正弦变化曲线叠加锯齿波信号，然后在锯齿波信号与期望的正弦变化曲线的每个交点处闭合或断开相应的半导体开关，以便触发或终止电压脉冲。这种非本发明的主题的方法简化地也能够称作为开环控制，因为预设的正弦信号和叠加的锯齿波都不基于产生的结果。
另一方法是公差带法。在此，在对应于期望的电流的正弦函数的周围存在公差带，即偏差下限和偏差上限。现在，检测产生的输出电流并且将其与所述公差带比较。如果电流达到公差带下限，那么触发开关脉冲，而如果检测到的电流达到公差带上限，那么所述脉冲结束。于是，电流在预设的、理想的正弦变化曲线周围的所述公差带中变化。
产生的电流的质量的改善尤其能够通过减小公差带进行。即如果所述带变得更窄，那么电流相应地更小程度地在理想的正弦变化曲线周围变化并且这通常也引起：开关频率提高，因为由于更窄的极限，产生的电流更快地达到所述极限进而更快地触发开关动作。
就此而言，所述方法是良好已知的并且也能够用于随后叠加成总电流的各个子电流。所述这样产生的总电流然后能够馈入到供电网中。
通过所述叠加，电流基本上在每个时刻相加，所述叠加因此是这些子电流的加和。由此，在相应的时刻，电流的瞬时值相加。由此，在叠加的总电流中也能够得到一定的平滑化。这能够通过如下方式实现：完全地或部分地突出多个单个子电流与理想正弦的相应的正偏差和负偏差。尤其当所述各个正偏差和负偏差统计学地均匀分布时如此。然而也能够发生：各个子电流的多个正偏差或多个负偏差汇合，进而得到相应特别高的总偏差。
为了防止这种情况，能够使各个公差带分别窄到，使得每个子电流的各正偏差的理论上的相加也不超过对于总电流而言预期的最大值。
但是，这意味着，预设特别窄的公差带，所述公差带相应地造成特别高的频率。即如果希望以这种方式和方法在10个分别产生子电流的逆变器的情况下进行这种安全限界，那么每个公差带必须规定为下述宽度的十分之一：所述宽度对应于总电流的最大允许的偏差。因此，可能在调制电流时造成十倍的开关频率。因此，耗费是巨大的，以便以这种方式和方法确保产生的总电流不具有过大的值。
德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索到如下现有技术：DE 40 23 207C1以及M.López等所著的Power Electronics and Variable Speed Drives中的摘选“Control design for parallel-connected DC-AC inverters using sliding modecontrol”。
发明内容
因此，本发明的目的是，针对上述问题中的至少一个。尤其应提出下述解决方案：所述解决方案以尽可能简单且有效的方式和方法避免，总输出电流与预设的正弦变化曲线偏差过大。至少应相对于至今为止已知的解决方案提出一个替选的解决方案。
根据本发明，提出用于产生交变电流的方法。所述方法包括如下步骤：产生多个子电流和将子电流叠加成总电流。每个子电流利用调制法产生，所述调制法使用具有公差极限的公差带法。为此，现在提出，公差极限是可变的。
即因此，能够首先使用标准宽度的公差带。如果现在例如总电流向上超过期望的最优的正弦变化曲线，那么能够通过下述方式抵抗这种情况：例如降低用于一个、多个或所有子电流的公差极限。降低也能够是不同的。在此，下限也能够一起降低，亦即，使得不一定产生更高的频率。
因此，优选地，所述公差极限与产生的总电流相关地变化。因此，能够实现在闭环控制(Regelung)的意义上的间接的反馈，但是不直接闭环控制相应的各个电流。更确切地说，总电流的所述反馈经由公差极限的变化输入。根据一个实施方式提出，每个调制法的公差极限形成具有公差上限和公差下限的公差带，并且公差上限和公差下限彼此独立地变化，或者在保持公差下限和公差上限之间的恒定间距的情况下移动公差带。
每个分别用于产生子电流中的一个子电流的调制法的公差带具有公差上限和公差下限并且为此提出，公差上限和公差下限彼此独立地变化。例如在需要时能够降低公差上限，而不改变公差下限，或者反之。替选地提出，整体移动公差带。通过移动公差带尤其实现，由此能够对每个子电流的幅值产生影响，而不改变开关频率。
优选地，子电流的各个调制法的公差极限分别选择成或由此改变成，使得总电流位于预设的公差极限之内。据此，为总电流预设公差极限或公差带。于是通过如下方式实现保持所述公差极限：调整子电流的各个公差极限。如果总电流达到其公差极限(如在用于每个单个电流的公差带法中是这种情况)，那么不触发直接的开关动作，而是间接地经由改变各个子电流的公差极限进行开环控制。
但是，所述各个公差极限的变化不需要等待总电流达到其公差极限或达到公差带的两个公差极限中的一个。替代于此或优选地，总电流与其公差极限的间距已经能够引起各个子电流的调制法的公差极限的变化、尤其移动。此外或替选地，也能够评估总电流与最优的要达到的变化曲线、即尤其最优的正弦变化曲线的间距，并且与其相关地改变子电流的各个调制法的公差极限。即如果例如总电流超过其最优值，那么能够降低用于子电流的调制法的上限。如果总电流超过其最优值更远，那么能够继续降低每个子电流的每个调制法的公差极限或在本实例中为公差上限。相同内容按意义当然也能够在低于最优值的情况下进行。
优选地，为了设定公差极限，测量子电流和总电流。因此，每个单个的调制法作为用于测量相应的子电流的输入端也具有总电流的测量值。在此也可见，总电流作为测量变量对多个、部分非常多的调制法同时输入。通过提出的方法也避免：能够出现过度反应，在例如在总电流过大的情况下全部调制法突然作出反应并且结束每个刚好施加的脉冲时，可能出现所述过度反应。优选地，各个调制法的公差极限最大分别移动至基本曲线的最优值，即移动至最优的正弦变化曲线。即所述最优的基本变化曲线为公差带上限形成最小值并且为公差带下限形成最大值。由此，能够快速地对过大偏差的总电流作出反应，各个子电流仍在其最优值周围、即在要设定的正弦变化曲线附近移动。
根据一个实施方式提出，将子电流和总电流变换到共同的坐标系中，在所述坐标系中预设要保持的极限，使得总电流位于公差极限或预设的公差极限之内。优选地，这种变换能够是到转动坐标系的变换。因此，尤其能够根据数值和相位预设测量值和最优值和极限。于是，对于最优值，仅改变相位、但是不改变数值。能够更简单地在转动坐标系中定义极限值。然而，每次必须换算测量值。
就此而言，这种变换也包括将子电流以不同值加权。因此，所述加权为变换并且例如能够表示，用于不同子电流的公差极限不同地与总电流相关地变化。
如果在各个子电流之间、即在各个逆变器之间出现补偿电流，那么子电流的这种加权是特别有利的。这种补偿电流尤其也能够在各个逆变器之间在下述情况下产生：这些逆变器还在输入端侧与同一直流输入端电连接时。只要已知这种补偿电流，那么所述补偿电流作为分量一同包含在分别相关的子电流中，但是不一同合并到总电流中。因此，相应测量的、也为调制法引回的子电流不对应于随后实际归入总电流的子电流。这能够在公差极限由加权相应地影响的情况下考虑。即于是不再考虑相应的子电流，而是考虑借助于所述加权的变换。
根据本发明，还提出用于将电流馈入到供电网中的馈入设备。这种馈入设备具有多个逆变器，所述逆变器分别具有子电流输出端，其中各一个子电流在子电流输出端处产生或在那里提供。
此外，设有总和电流输出端，所述总和电流输出端将子电流加和成总电流，其中子电流输出端在加和节点处与总和电流输出端连接。为此，现在提出一种根据上述实施方式中的一个实施方式的用于产生电流的方法。优选地，逆变器并联连接并且在其子电流输出端处分别具有电网扼流圈。优选地，仅设有电网扼流圈，而不具有附加的输出滤波器。尤其，不使用否则常规的L-C-L滤波器，而是仅使用电网电感或电网扼流圈。也就是，在所述方法中，能够弃用这种滤波器。通过与总电流相关地改变公差带，这种否则常规的L-C-L滤波器能够是可有可无的。因此能够放弃单个电流的特殊的平滑化或滤波，所述平滑化和滤波使得所述单个电流平均地叠加成尽可能有益的总电流，所述总电流尤其尽可能靠近最优值伸展。
优选地，在每个子电流输出端和加和节点之间仅分别存在也能够称作L滤波器的电感或电网电感。通常，子电流输出端也三相地构成，并且作为电感于是优选提出三相的电网扼流圈，在所述三相的电网扼流圈中，例如通过使用具有5柱芯的扼流圈，相位磁耦合。
优选地，也能够弃用在总和电流输出端处的附加的电网扼流圈，因为提出的方法已经引起有利地对总电流进行补充的单个电流。
此外提出，为了设定公差极限，在每个子电流输出端处设有用于测量相应的子电流的测量机构，并且还在总和电流输出端处设有用于测量总电流的测量机构。在此，但是将其测量值反馈到不同的逆变器的测量机构是足够的。
根据另一实施方式提出，逆变器或逆变器中的一些在输入端侧并且除此之外或替选地在输出端侧电解耦。输入端侧的解耦例如能够表示，输入端侧的汇流排或直流电流引线电解耦。为此，例如，直流电流的产生已经能够在发电机上、尤其在使用风能设施时、电分离地在多个***中进行并且相应分离地引向各个逆变器。
在输出端侧，也在共同的变压器上进行电解耦。一个可能性在于，变压器具有不同的分接头。于是为共同的变压器的电分离的子绕组馈电。代替电加和节点，得到磁加和装置。变压器于是能够形成加和节点。这种解耦能够特别好地与整个电流相关的公差带调整的提出的方法相关联。在此，特别优选地产生单个电流，并且能够相应好地叠加成总电流。由此能够避免补偿电流。
根据本发明，还提出一种风能设施，所述风能设施准备用于产生和馈入电流并且为此包括根据上文所阐述的实施方式中的一个实施方式的馈入设备。即风能设施具有多个逆变器，所述逆变器共同地产生用于风能设施的总电流以馈入到供电网中。
附图说明
下面，参照附图示例性地根据实施方式详细阐述本发明。
图1示出风能设施的立体图。
图2示出用于产生总电流的多个逆变器的布线的示意图。
图3图解说明公差带法。
图4示出用于说明根据一个实施方式的闭环控制法的一部分的示意结构。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设施100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行时由风置于转动运动进而驱动吊舱104中的发电机。
根据图2的线路布置图解说明馈入设备1并且在此示出三个逆变器2，所述逆变器示例性地代表其他逆变器。就此而言，这三个逆变器2也产生子电流i1、i2和in。逆变器2分别具有直流电压输入端4，所述直流电压输入端也能够称作DC输入端。经由所述DC输入端4，逆变器2得到其输入功率。逆变器2的所述DC输入端4经由DC总线6耦合。但是，根据一个实施方式也提出：所述DC输入端4不耦合，而是分别连接到自身的DC源8上。图2示出两个所述可能性。DC输入端4的使得每个DC输入端4能够具有自身的DC源8的分开例如能够构成为，使得尤其风能设施的发电机已经供给分开的DC源8。
现在，逆变器2在其输出端处产生相应的输出电流i1、i2或in，所述输出端分别称作子电流输出端10。每个逆变器的输出端还具有输出电感12。在每个输出电感下游表明，每个逆变器2产生三相电流。因此，从图2也推出，在提出的方法中，在每个子电流输出端10处的所述输出电感12能够是足够的。不需要否则常规的滤波器、尤其L-C-L滤波器。输出子电流i1、i2和in在加和节点14处叠加，即相加并且在总和电流输出端16处作为总电流iG引导。总和电流输出端具有共同的电网电感18，所述电网电感但是也能够是可有可无的。总电流iG于是能够经由变压器20馈入到供电网22中。
现在，关于电流的考虑阐述其他工作原理。在此要注意的是，不仅在每个逆变器2的输出端处的子电流、而且还有在总和电流输出端16处的总输出电流是三相的。但是，进一步的阐述分别仅讨论所述三相电流中的一相。因此，仅观察一相，并且其余相以相同的方式和方法工作。
现在，在图2中可见，对于每个子电流i1、i2和in存在电流传感器24。同样，设有用于总电流iG的电流传感器26。
现在，每个逆变器2使用其子电流的测量值，即i1、i2或in，并且此外使用总电流iG的测量值。即总电流iG流到逆变器2中的每个逆变器中。每个逆变器于是与总电流iG相关地设定相应的公差带或公差带的相应的公差极限，进而与其子电流相关地控制相应的半导体开关，以便调制相应的电流。
因此，那么产生电流i1、i2和in，所述电流已经由于其电路的类型和由于输出电感12具有有益的、低振荡的状态进而在加和节点14处叠加。得到总电流iG，所述总电流的测量值如所描述的那样引回逆变器2中的每个逆变器。
图3为公差带法图解说明最优的正弦曲线30，在所述正弦曲线周围存在具有公差上限T1和公差下限T2的公差带。为了图解说明，所述公差带非常宽地示出，而在实际中当然是窄得多的。
产生的电流i1位于极限T1和T2之间的所述公差带中，在此示例地使用所述电流。
电流通过下述方式产生：闭合用于产生正脉冲的开关。只要施加所述正脉冲，那么电流升高，并且一旦所述电流达到上限T1，那么再次断开相应的开关并且脉冲终止。电流随后下降，直至达到下限T2，使得提到的开关于是再次闭合，以便简化地直观地阐述所述过程。
现在，图3示出公差带，在所述公差带中，最优的正弦30位于中间，即距上限和下限T1或T2同样大的间距。现在例如为了考虑高的总电流或抵抗高的总电流，上限T1能够向下移动，使得所述上限更靠近最优的正弦30。下限T2同样能够继续向下移动，或者其保持不变。
在公差带的这种移动、即上限T1的示例性描述的移动之后，基本的公差带法对于在图3中示例性地示出的子电流i1但是在其他方面不变地继续进行。因此，所述方法还检查：电流的上升沿是否达到公差上限T1，所述公差上限现在当然位于别处，或者电流的下降沿是否达到公差下限T2。
所述方法在图4中以示意的结构示出，所述结构图解说明或简化地示出馈入设备41。子电流i1的实际的产生在逆变器42中进行，所述逆变器在此示意地表明直流电压中间电路44。在正节点和负节点之间设置有两个开关S1和S2，所述开关产生电压脉冲波形，使得在子电流输出端50处的子电流i1也取决于输出电感52产生。所述子电流i1与若干其他子电流i2至in加和成总电流iG。能够为总电流iG设有电网电感58，所述电网电感但是也能够是可有可无的。
所述总电流iG借助总电流测量仪66测量并且输入公差块70。公差块70于是能够与总电流相关地且与用于总电流的公差极限TG1和TG2相关地预设或改变实际的在图3中图解说明的公差上限T1和公差下限T2。所述公差上限和公差下限T1和T2于是输入到控制单元72中。控制单元72还得到当前的子电流i1进而如在图3中阐述的那样工作。与子电流i1在通过公差上限和公差下限T1和T2给出的公差带中的位置相关地，于是生成开关信号S，所述开关信号提供给逆变器42。逆变器42于是相应地切换开关S1和S2。尤其，对于正脉冲，开关S1闭合并且开关S2断开，而对于正脉冲结束或对于负脉冲，闭合开关S2并且断开开关S1。
于是出现子电流i1，所述子电流又被引回以用于下一计算。也出现总电流iG的新值，即连同其他电流i2至in，并且同样将总电流iG的所述值如所描述的那样引回。
在对所述基本的示意的描述的补充中，尤其结合图3和4也能够提出，将公差范围、尤其对总电流iG规定的公差范围、即在图4中图解说明的公差极限TG1和TG2转换成适合的坐标，以便能够通过总电流更好地检查维持性，和/或从中能够更好地推导出反应、尤其公差上限和下限T1和T2的变化。相应地，提出一种方法，所述方法能够实现用于总电流的所述公差范围的维持。
因此，观察如下情况：多个功率电子***共同地、即以串联电路和/或并联电路运行并且彼此无关地借助于近似的滑模控制器来闭环控制，所述滑模控制器也能够称作公差带控制器或能够包括这种公差带控制器。所述滑模控制器例如能够构成为滞环控制器。于是通常能够确保：对于每个子***而言，滑动函数的控制偏差保持在特定的公差带之内。
然而，因为不存在各个子***中的开关动作的同步，所以能够发生：互连的***的控制偏差同时沿相同方向偏差，使得出现不利的叠加。对于所述问题，提出如上文所描述的解决方案。
为了也有针对性地影响电流或电压纹波的叠加，在实际中通常使用下述方法：所述方法应用脉宽调制或空间矢量调制。在所述方法中，开关频率通常是固定的，并且有针对性地使互连的***的开关时刻错开，以便实现电流或电压纹波的期望的叠加。
在所述解决方案中不利的是：必须放弃滑模控制装置固有的优点，即尤其是强烈抑制特定的干扰的特性。
现在也提出，互连的功率电子***以近似的滑模运行，使得尽可能确保规定的公差范围的维持。通过适当地选择公差范围，能够在上面的描述的范围中避免或大幅降低谐波振荡的“不利的叠加”。

Claims (11)

1.一种用于产生交变电流的方法，所述方法包括如下步骤：
-产生多个子电流(i1，i2，in)，以及
-将所述子电流(i1，i2，in)叠加成总电流(iG)以形成所述交变电流，其中
-利用调制法产生每个所述子电流(i1，i2，in)，以及
-所述调制法使用具有公差极限(T1，T2)的公差带法，并且
-所述公差极限(T1，T2)是可变的，其中
与产生的所述总电流(iG)相关地改变所述公差极限，以及
将所述子电流(i1，i2，in)的所述调制法的所述公差极限(T1，T2)分别选择成，使得所述总电流(iG)位于预设的公差极限(TG1,TG2)之内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个所述调制法的所述公差极限(T1，T2)形成具有公差上限和公差下限(T1，T2)的公差带，并且彼此独立地改变所述公差上限和公差下限(T1，T2)，或者在保持公差下限和公差上限(T1，T2)之间的恒定间距的情况下移动所述公差带。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了设定所述公差极限(T1，T2)，测量所述子电流(i1，i2，in)和所述总电流(iG)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述子电流(i1，i2，in)和所述总电流(iG)变换成共同的坐标系，在所述坐标系中预设要保持的极限，使得所述总电流(iG)位于公差极限或所述预设的公差极限(TG1，TG2)之内。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，共同的所述坐标系是转动坐标系。
6.一种用于将交变电流馈入到供电网(22)中的馈入设备(1，41)，所述馈入设备包括：
-多个逆变器(2)，所述逆变器分别具有子电流输出端(10)，所述逆变器分别用于在所述子电流输出端(10)处产生子电流(i1，i2，in)，
-总和电流输出端(16)，所述总和电流输出端用于将所述子电流(i1，i2，in)加和成总电流(iG)以形成所述交变电流，其中所述子电流输出端(10)在加和节点(14)处与所述总和电流输出端(16)连接，
-其中将根据权利要求1所述的方法用于产生电流。
7.根据权利要求6所述的馈入设备(1，41)，其特征在于，所述逆变器(2)并联连接并且在其子电流输出端(10)处分别具有电网扼流圈(12)。
8.根据权利要求6所述的馈入设备(1，41)，其特征在于，所述逆变器(2)以在其电流输出端(10)处分别利用电网扼流圈(12)而无需附加的输出滤波器的方式工作和/或以在所述总和电流输出端(16)处无需附加的电网扼流圈(18)的方式工作。
9.根据权利要求6所述的馈入设备(1，41)，其特征在于，为了设定所述公差极限(T1，T2)，在每个子电流输出端(10)处设有用于测量相应的所述子电流(i1，i2，in)的测量机构，并且在所述总和电流输出端(16)处设有用于测量所述总电流(iG)的测量机构。
10.根据权利要求6所述的馈入设备(1，41)，其特征在于，所述逆变器(2)或所述逆变器中的一些逆变器在输入端侧和/或在输出端侧电解耦。
11.一种用于产生电流和将电流馈入到供电网(22)中的风能设施(100)，所述风能设施具有根据权利要求6所述的馈入设备(1，41)。
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