TWI605680B - 用於產生交流電流之饋入器件、風力渦輪機及方法 - Google Patents

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Description

用於產生交流電流之饋入器件、風力渦輪機及方法
本發明係關於一種用於產生一交流電流以用於饋送至一電力供應網路中之方法。此外，本發明係關於一種對應饋入器件。本發明亦係關於一種包含此一饋入器件之風力渦輪機。
尤其針對風力渦輪機，已知產生用於饋送至一電力供應網路中之交流電流，其中多個變流器各產生一部分電流，且此等部分電流經疊加為一總電流，且此重疊總電流經饋送至該網路中。
藉助於一調變方法產生此等部分電流，該方法亦可稱為脈衝寬度調變。用於產生此一交流電流之一種基本方法係一所謂三角調變。在此處以一略簡化之方式陳述，一鋸齒形信號經疊加於一所需正弦波形上，且接著，在鋸齒形信號與所需正弦波形之各交叉處，閉合或斷開一對應半導體開關以便觸發或終止一電壓脈衝。出於簡化之目的，此一方法(其並非本發明之標的)亦可稱為一控制，此係由於預定義正弦信號或疊加鋸齒形信號皆不基於所產生之結果。
另一方法係一容差帶方法。在此處，一容差帶(即，一偏差下限及一偏差上限)放置於對應於所需電流之一正弦函數周圍。接著，偵測所產生之輸出電流且將其與此容差帶比較。若電流達到容差帶下限，則觸發一切換脈衝，且若所偵測之電流達到容差帶上限，則終止此脈衝。因此，此容差帶中之電流圍繞預定義、理想化之正弦波形變 化。
可特定經由容差帶之一減小獲得所產生電流之品質之一改良。因此，若此帶變得更窄，則電流相應圍繞理想正弦波形更少變化，且此亦一般地導致切換頻率增大，此係由於界限更窄且所產生之電流因此甚至更快速地達到該等界限，因此更快速地觸發一切換行為。
在此態樣中，此方法為人熟知且亦可用於個別部分電流，其等接著疊加為一總電流。因此產生之此總電流可接著經饋送至電力供應網路中。
由於此疊加(其最終係此等部分電流之一加總)，基本上累加任一時間點處之電流。因此累加在特定時間點處之電流之瞬時值。因此，亦可產生疊加總電流之一特定平滑化。此可由於以下事實而發生：來自理想正弦曲線之許多個別部分電流之特定正及負偏差完全或部分突顯(特定言之，若此等個別正及負偏差在統計上均勻分佈)。然而，可發生個別部分電流之許多正偏差或許多負偏差合併，從而導致一相應特別高之總偏差。
為防止此情況，可使個別容差帶之各者變窄使得甚至各情況中之部分電流之一正偏差之一理論相加亦不超過總電流之一所需最大值。
此亦將意謂預定義特別窄之容差帶，其等相應導致特別高之頻率。因此為在十個變流器(各產生一部分電流)之情況中以此方式執行此一可靠界限，各容差帶將必須設定為寬度之十分之一，此對應於總電流之最大容許偏差。因此，當調變該等電流時可產生十倍之切換頻率。因此，以此方式確保所產生之總電流並不呈現一過大之值所需之複雜度係極大的。
德國專利與商標局已研究在本申請案之優先權申請中之下列相關技術：DE 40 23 207 C1及來自M.López等人之Power Electronics and Varibale Speed Drives之摘錄「Control design for parallel-connected DC-AC inverters using sliding mode control」。
因此，本發明之目的在於解決前述問題之至少一者。特定言之，提供一種方法，其以儘可能簡單且有效之一方式防止一總輸出電流呈現與預定義正弦波形之過強偏差。至少相對於之前已知之方法提供一種替代方法。
根據本發明，提供根據技術方案1之用於產生一交流電流之一方法。此方法包括產生多個部分電流且將該等部分電流疊加為一總電流之步驟。使用一調變方法來產生各部分電流，該調變方法使用具有容差界限之一容差帶方法。為此目的，現假定容差界限係可變的。
因此，最初可使用一般寬度的容差帶。接著，舉例而言，若總電流向上超過所需最佳正弦波形，則其可(例如)藉由針對一個、多個或所有部分電流降低容差界限而被抵消。減少量亦可係不同的。在此情況中，亦可降低下限，使得不一定產生一更高之頻率。
較佳地，此等容差界限因此依據所產生之總電流而改變。然而，可因此在不直接控制特定個別電流的情況下達成關於一控制之一間接回饋。實情係，總電流之此回饋經由容差界限之改變而進入。根據一項特定實施例，假定調變方法之各者之容差界限形成具有一容差上限及一容差下限之一容差帶，且容差上限及容差下限獨立於彼此而改變，或容差帶偏移而保留容差下限與容差上限之間的一恆定距離。
各調變方法(即，用於在各情況中產生部分電流之一者之各方法)之容差帶具有一容差上限及一容差下限，且另外，假定容差上限及容差下限獨立於彼此而改變。舉例而言，若必要可降低容差上限而不改變容差下限，或反之亦然。替代地，假定容差帶總體偏移。藉由使容差帶偏移，尤其達成以下情況：可藉此影響各部分電流之振幅而不改變切換頻率。
較佳地，部分電流之個別調變方法之容差界限在各情況中藉由其等選擇或改變使得總電流位於一預定義容差界限內。因此，針對總電流預定義一容差界限或一容差帶。接著，藉由調整部分電流之個別容差界限而達成此容差界限之維持。因此，在總電流達到其容差界限的情況下並不發生直接切換操作之觸發(如在用於各個別電流之容差帶方法中之情況中)，實情係，藉由改變個別部分電流之容差界限而間接執行該控制。
然而，改變此等個別容差界限不必等待直至總電流達到其容差界限或容差帶之兩個容差界限之一者。替代地或較佳地，總電流與其容差界限之距離可已導致個別部分電流之調變方法之容差界限之一改變(特定言之，一偏移)。另外或替代地，亦可評估總電流與待達成之最佳波形(即，特定言之，最佳正弦波形)之一距離，且部分電流之個別調變方法之容差界限可依據其而改變。舉例而言，若總電流增大超過其最佳值，則可針對部分電流降低調變方法之上限。若總電流甚至進一步增大超過其最佳值，則可進一步降低各部分電流之各調變方法之容差界限或(在此實例中)容差上限。針對低於最佳值之一減小當然亦可類似地執行相同方案。
較佳地，為設定容差界限，量測部分電流及總電流。因此，各個別調變方法亦使總電流之量測值作為用於量測特定部分電流之一輸入。亦瞭解，總電流同時作為用於多個(在一些情況中大量)調變方法之一量測變量而進入。歸因於所提供方法，亦防止可發生一過度反應，該過度反應(例如)在一總電流過高之情況中可在所有調變方法皆突然回應且終止各當前施加之脈衝的情況中發生。較佳地，個別調變方法之容差界限至多向上偏移至各情況中之基礎曲線之最佳值(即，向上偏移至最佳正弦波形)。此最佳基礎波形因此形成容差帶上限之最小值及容差帶下限之最大值。因此，可快速回應一具有強偏差之總 電流；然而，個別部分電流圍繞其最佳值移動，即，在待設定之正弦波形附近。
根據另一特定實施例，假定部分電流及總電流經轉換至一共用座標系統(其中預定義待依從之界限)中，使得總電流位於一(或該)預定義容差界限內。較佳地，此一轉換可係至一旋轉座標系統中之一轉換。因此，可特定言之根據量值及相位預定義量測值及最佳值及界限值。針對最佳值，僅將改變相位，而不改變量值。在旋轉座標系統中可更簡單地定義界限值。然而，每次必須重新計算量測值。
在此態樣中，此一轉換亦包含使用不同值加權電流。此加權因此構成一轉換且此可意謂(例如)針對不同部分電流，容差界限依據總電流而不同地改變。
部分電流之此一加權當在個別部分電流之間(即，在個別變流器之間)出現暫態電流時係特別有利的。此等暫態電流亦可在特定言之個別變流器之間產生(若其等亦電流連接至輸入側上之相同DC電流輸入)。若已知此等暫態電流，則其等亦包含於各受影響之部分電流中作為一分量，但其等並不併入總電流中。相應量測之部分電流(其亦針對調變方法而回饋)因此不對應於接著實際歸因於總電流之部分電流。此在經由一加權相應地影響界限之情況中可納入考慮。因此，不再將對應部分電流納入考慮，而考慮藉助於此加權之一轉換。
另外，根據本發明，提供一種根據技術方案8之用於將電流饋入一電力供應網路中之饋入器件。此一饋入器件包含多個變流器，其等之各者具有一部分電流輸出，其中在各情況中在該部分電流輸出處產生或提供一部分電流。
此外，提供一加總電流輸出，其將部分電流加總為一總電流，其中部分電流輸出在一加總節點處連接至加總電流輸出。另外，提供一種用於根據前述特定實施例之一者產生電流之方法。較佳地，變流 器並聯連接且在其等部分電流輸出之各者處包含一線路電抗器。較佳地，僅提供線路電抗器而無額外輸出濾波器。特定言之，不另使用共用LCL濾波器，而僅使用一網路電感器或一線路電抗器。在該方法中，實際上可省略此一濾波器。藉由依據總電流改變容差帶，可省略此一另外共用LCL濾波器。因此，可省略個別電流之一特定平滑化或濾波，使得平均而言，其等經疊加為儘可能有利的一總電流，總電流特定言之儘可能靠近最佳值運行。
較佳地，在各部分電流輸出與加總節點之間僅存在一個電感器或網路電感器(其亦可稱為一L濾波器)。一般言之，部分電流輸出亦係三相的，且接著較佳地提供一三相線路電抗器作為一電感器，其中藉由(例如)使用具有一五腳核心之一電感器磁耦合該等相位。
較佳地，可省略在加總電流輸出處之一額外線路電抗器，此係由於所提供之方法已導致有利地累加至總電流之個別電流。
此外，提供用於量測各部分電流之一量測構件以用於設定在各部分電流輸出處之容差界限，且另外，提供一量測構件以用於量測在加總電流輸出處之總電流。然而，此處，將其之量測值回饋至各個變流器一量測構件係足夠的。
根據另一特定實施例，假定變流器或其等之一些在輸入側上電流解耦合，且另外或替代地，在輸出側上電流解耦合。一輸入側解耦合可(例如)意謂電流解耦合輸入側電流匯電條或DC電流饋源。為此目的，舉例而言，直接電流之產生已在多個系統中以一電流隔離之方式在發電機處執行(尤其當使用一風力渦輪機時)且相應地獨立路由至個別變流器。
亦可在一共用變壓器處之輸出側上執行一電流解耦合。變壓器之一個選項係具有不同分接頭。接著饋送共用變壓器之電流隔離子繞組。產生一磁加總而非一電流加總節點。接著變壓器可形成加總節 點。此一解耦合可與取決於總電流之容差帶匹配之所提供方法特別良好地關聯。在此情況中，個別電流尤其較佳地產生且可相應充分疊加為總電流。藉此可防止暫態電流。
根據本發明，另外提供一種風力渦輪機，其經製備以用於產生且饋入電流且為此目的包括根據先前描述之特定實施例之一者之一饋入器件。因此，風力渦輪機包含多個變流器，其等一起為風力渦輪機產生總電流以用於饋送至電力供應網路中。
圖1展示一風力渦輪機100，其包含一塔架102及一吊艙104。具有三個轉子葉片108及一旋轉器110之一轉子106定位於吊艙104上。在操作期間，風使轉子106旋轉，從而驅動吊艙104中之一發電機。
根據圖2之電路組態繪示一鏡入器件1且展示例示額外變流器之三個變流器2。在此態樣中，此等三個變流器2亦產生部分電流i1、i2及in。變流器2各具有一DC電壓輸入4，其亦可稱為一DC輸入。變流器2經由此DC輸入4接收其等輸入電力。變流器2之此等DC輸入4經由一DC匯流排6耦合。然而，根據一項特定實施例，亦假定此等DC輸入4並不耦合，而各連接至一單獨DC源8。圖2展示此等選項之兩者。可(例如)設計DC輸入4之一分離，使得各DC輸入4能夠具有一單獨DC源8，以使一個發電機(特定言之，一風力渦輪機之一個發電機)饋送單獨DC源8。
變流器2現在其等輸出處產生輸出電流i1、i2及in(各稱為一部分電流輸出10)。各變流器之輸出亦包含一輸出電感器12。在各輸出電感器後，指示各變流器2產生一三相電流。因此，亦可自圖2推斷，此輸出電感器12可在所提供方法中在每一部分電流輸出10處係足夠的。不需要一另外共用濾波器，特定言之一LCL濾波器。輸出部分電流i1、i2及in在一加總節點14處疊加(即，累加)且路由至加總電流輸出16作為總電流iG。加總電流輸出具有一共用網路電感器18，然而，亦可 省略電感器18。接著，總電流iG可經由一變壓器20饋入至電力供應網路22中。
現將藉由考慮電流而解釋額外功能性。應注意，在各變流器2之輸出處之部分電流及在加總電流輸出16處之總輸出電流兩者皆為三相的。然而，額外解釋之各者僅處理此等三相電流之一個相位。因此，僅考慮一個相位，且其他相位以相同方式起作用。
在圖2中，現瞭解針對各部分電流i1、i2及in存在一電流感測器24。亦針對總電流iG提供一電流感測器26。
各變流器2現使用其部分電流(即，i1、i2或in)之一量測值，且亦使用總電流iG之量測值。因此，總電流iG流至變流器2之各者中。接著，各變流器依據總電流iG設定對應容差帶或容差帶之對應容差界限，且接著依據其部分電流控制對應半導體開關，以便調變一對應電流。
因此，接著產生電流i1、i2及in(歸因於其等電路之類型且歸因於輸出電感器12，該等電流已具有一有利的、低振盪狀態)且接著在加總節點14處疊加。結果為總電流iG，其之量測值如描述般回饋至變流器2之各者。
圖3繪示一容差帶方法之一最佳正弦曲線30，具有一容差上限T1及一容差下限T2之一容差帶圍繞最佳正弦曲線30放置。為繪示之目的，此容差帶描繪為非常寬的，且在現實中當然遠遠窄於此。
在此處作為實例使用之所產生電流i1在此容差帶中位於界限T1與T2之間。
藉由閉合用於產生一正脈衝之一開關而產生電流。只要施加此正脈衝，電流便增大，且一旦其達到上限T1，就再斷開對應開關且終止脈衝。接著，電流減小，直至其達到下限T2，使得前述開關接著再次閉合，以便以一簡化方式以圖形解釋該程序。
圖3展示一容差帶，其中最佳正弦波30位於中間，即，具有與上限T1及下限T2同樣大之距離。為(例如)將一高總電流納入考慮或抵消該高總電流，上限T1可向下偏移使得其接近最佳正弦波30。下限T2亦可向下偏移，或其保持不變。
然而，在容差帶之此一偏移後(即，作為實例描述之上限T1之偏移)，針對在圖3中作為實例展示之部分電流i1，基本容差帶方法另繼續不變地運行。此外，方法因此測試電流之上升邊緣是否已達到容差上限T1(然而，其現位於其他地方)或電流之下降邊緣是否已達到容差下限T2。
在圖4中在一示意性結構中描繪該方法，其繪示一饋入器件41或以一簡化方式描繪其。部分電流i1之實際產生在變流器42中發生，其在此處示意性指示一DC鏈接電路44。定位於正節點與負節點之間的兩個開關S1及S2產生一電壓脈衝型樣，使得亦歸因於輸出電感器52在部分電流輸出50處產生部分電流i1。此部分電流i1與各種其他部分電流i2至in加總為總電流iG。可針對總電流iG提供一網路電感器58；然而，亦可省略其。
此總電流iG使用一總電流計66量測且輸入至一容差區塊70。容差區塊70可接著依據總電流且依據容差界限TG1及TG針對總電流預定義或改變特定容差上限T1及容差下限T2(在圖3中繪示其等)。接著，此等容差上限T1及容差下限T2經輸入至控制單元72中。另外，控制單元72接收瞬時部分電流i1且接著如在圖3中繪示般起作用。取決於部分電流i1在容差帶中之位置(經由容差上限T1及容差下限T2判定該位置)，接著產生可提供至變流器42之切換信號S。變流器42接著相應切換開關S1及S2。特定言之針對一正脈衝，閉合S1且斷開S2，且針對一正脈衝之結束，或針對一負脈衝，閉合S2且斷開S1。
接著產生一部分電流i1，其針對下一計算再次回饋。亦產生總電 流iG之一新值(即，以及額外電流i2至in)，且亦如上文描述回饋總電流iG之此值。
除特別關於圖3及圖4之此基本示意描述外，亦可提出將容差範圍(特定言之針對總電流iG所建立之一容差範圍，即，在圖4中繪示之容差界限TG1及TG2)轉換為適當座標，以便能夠經由總電流以一更佳方式檢查順從性或能夠導出更佳回應(特定言之容差上限T1及容差下限T2之改變)。相應地，提供一種能夠達成與總電流之此容差範圍之順從性之方法。
因此，考慮多個電力電子系統一起操作(即，串聯及/或並聯連接)且藉助於近似滑動模式控制器(其等亦可稱為容差帶控制器或其等可包含此等控制器)獨立於彼此受控制之一情況。此等滑動模式控制器可(例如)經設計為遲滯控制器。接著，可主要確保針對各子系統，滑模函數之控制偏差保持在特定容差帶內。
然而，由於個別子系統中之切換動作不存在同步，故可發生互連系統之控制偏差同時在相同方向上偏差，使得產生一不利的疊加。為解決此問題，提供如上文描述之一解決方案。
亦為以一標定方式影響電流或電壓漣波之疊加，在實務中一般使用利用一脈衝寬度調變或一空間向量調變之方法。在此方法中，切換頻率一般係固定的，且互連系統之切換時間點以一標定方式偏移，以便達成電流或電壓漣波之一所需疊加。
此方法之一個缺點在於必要地放棄滑動模式控制中固有之優點，即，特定言之極力抑制特定干擾之特性。
現亦提出在一近似滑動模式中操作互連電力電子系統，使得儘可能確保與一建立之容差範圍之順從性。藉由以一適當方式選擇容差範圍，可防止或大幅減少在以上描述之意義中之諧波之一「不利疊加」。
1‧‧‧饋入器件
2‧‧‧變流器
4‧‧‧DC輸入
6‧‧‧DC匯流排
8‧‧‧DC源
10‧‧‧部分電流輸出
12‧‧‧輸出電感器
14‧‧‧加總節點
16‧‧‧加總電流輸出
18‧‧‧共用網路電感器
20‧‧‧變壓器
22‧‧‧電力供應網路
24‧‧‧電流感測器
26‧‧‧電流感測器
30‧‧‧最佳正弦波/最佳正弦曲線
42‧‧‧變流器
44‧‧‧DC鏈接電路
50‧‧‧部分電流輸出
52‧‧‧輸出電感器
58‧‧‧網路電感器
66‧‧‧總電流計
70‧‧‧容差區塊
72‧‧‧控制單元
100‧‧‧風力渦輪機
102‧‧‧塔架
104‧‧‧吊艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉器
i1‧‧‧部分電流
i2‧‧‧部分電流
in‧‧‧部分電流
iG‧‧‧總電流
S‧‧‧切換信號
S1‧‧‧開關
S2‧‧‧開關
T1‧‧‧容差上限
T2‧‧‧容差上限
TG1‧‧‧容差界限
TG2‧‧‧容差界限
將參考隨附圖式，在下文中基於特定實施例藉由實例更詳細描述本發明。
圖1在一透視圖中展示一風力渦輪機。
圖2示意性描繪用於產生一總電流之多個變流器之一互連。
圖3繪示一容差帶方法。
圖4展示根據一項特定實施例之用於解釋一控制方法之一部分之一示意性結構。
42‧‧‧變流器
44‧‧‧DC鏈接電路
50‧‧‧部分電流輸出
52‧‧‧輸出電感器
58‧‧‧網路電感器
66‧‧‧總電流計
70‧‧‧容差區塊
72‧‧‧控制單元
i1‧‧‧部分電流
i2‧‧‧部分電流
in‧‧‧部分電流
iG‧‧‧總電流
S‧‧‧切換信號
S1‧‧‧開關
S2‧‧‧開關
T1‧‧‧容差上限
T2‧‧‧容差上限
TG1‧‧‧容差界限
TG2‧‧‧容差界限

Claims (9)

  1. 一種用於產生一交流電流(iG)之方法，其包括下列步驟產生多個部分電流(i1、i2、in)；及將該等部分電流(i1、i2、in)疊加為一總電流(iG)，其中使用一調變方法產生該等部分電流(i1、i2、in)之各者，該調變方法使用具有容差界限(T1、T2)之一容差帶方法，且該等容差界限(T1、T2)係可改變的，其中該等容差界限改變如該所產生之總電流(iG)之一函數，及其中等部分電流(i1、i2、in)之該等調變方法之該等容差界限(T1、T2)經選擇以使得該總電流(iG)位於一預定義容差界限(TG1、TG2)內，其中為設定該等容差界限(T1、T2)而量測該等部分電流(i1、i2、in)及該總電流(iG)。
  2. 如請求項1之方法，其中該等調變方法之各者之該等容差界限(T1、T2)形成具有一容差上限(T1)及一容差下限(T2)之一容差帶，且該容差上限(T1)及該容差下限(T2)獨立於彼此而改變，或該容差帶偏移同時保持該容差上限(T1)與該容差下限(T2)之間的一恆定距離。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該等部分電流(i1、i2、in)及該總電流(iG)經轉換為其中預定義待順從之界限之一共用座標系統，使得該總電流(iG)位於一或該預定義容差界限(TG1、TG2)內。
  4. 如請求項3之方法，其中該共用座標系統係一旋轉座標系統。
  5. 一種請入器件(1、41)，其用於將電流饋入至一電力供應網路(22)中，該饋入器件(1、41)包括多個變流器(2)，其等各具有一部分電流輸出(10)，該多個變流 器(2)各用於在該部分電流輸出(10)處產生一部分電流(i1、i2、in)，一加總電流輸出(16)，其用於將該等部分電流(i1、i2、in)加總為一總電流(iG)，其中該等部分電流輸出(10)在一加總節點(14)處連接至該加總電流輸出(16)，其中使用如前述請求項中一項之用於產生該電流之該方法，其中等部分電流(i1、i2、in)之該等調變方法之該等容差界限(T1、T2)經選擇以使得該總電流(iG)位於一預定義容差界限(TG1、TG2)內，其中為設定該等容差界限(T1、T2)而量測該等部分電流(i1、i2、in)及該總電流(iG)，及為設定該等容差界限(T1、T2)，在各部分電流輸出(10)處提供一量測構件以用於量測該特定部分電流(i1、i2、in)，且在該加總電流輸出(16)處提供一量測構件以用於量測該總電流(iG)。
  6. 如請求項5之饋入器件(1、41)，其中該等變流器(2)經並聯連接且包含在其等部分電流輸出(10)處之一線路電抗器(12)。
  7. 如請求項5或6之饋入器件(1、41)，其中該等變流器(2)使用在其等電流輸出(10)之各者處之一線路電抗器(12)操作而在該加總電流輸出(16)處不具有一額外輸出濾波器及/或一額外線路電抗器(18)。
  8. 如請求項5或6中一項之饋入器件(1、41)，其中該等變流器(2)或其等之一些在輸入側上及/或在輸出側上電流解耦合。
  9. 一種風力渦輪機(100)，其用於產生電流且將電流饋送至一電力供應網路(22)中，該風力渦輪機(100)包含如請求項5至8中一項之一饋入器件(1、41)。
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