专利名称：风能设备的变流器的操控电路和操控方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制风能设备的变流器的方法，所述变流器连接在双馈异步发电机的转子上，用于将电能馈入电网，其中，所述变流器包括发电机侧的逆变器、电网侧的逆变器和控制装置，所述控制装置将所要求的无功功率的期望值输出给所述逆变器中的至少一个逆变器。此外，本发明还涉及一种具有相应地被驱动的变流器的设备。
背景技术：
现代风能设备一般以转速可变的方式实施并且具有变流器。由此，发电机可以以由风力确定的转速运行，并且在此，产生具有相应与转速有关的频率的电能。所述频率可变的电能由变流器进行变换，使得所述电能适应于馈入固定频率的供电网(通常为50Hz)。这种变流器通常包括两个逆变器，它们通过中间电路相连。在此，所述逆变器中的一个与电网相连并且在运行中施加以电网频率(电网侧的逆变器)，而另一个逆变器(电机侧的逆变器)与发电机相连，其中，施加在其上的频率此外还由风力转子的转速确定。这种变流器可以作为全变流器(Vollumrichter)或者作为分变流器来实施，后者尤其与双馈异步电机相结合。然而，随着风能设备的日益推广和装载无功功率的上升，不再仅仅要求将有功功率简单地馈入电网，而是希望使风能设备进行如下运行，其为电网带来附加服务。用于电网的所谓的系统服务尤其包括馈入无功功率，例如用于在电压或者电网频率减低的情况下支持电网。在这种情况下，尤其在针对具有较高功率的风能设备通常使用双馈异步发电机的情况中可能会出现如下问题，即在大多数情况下仅仅针对风能设备的总电功率的三分之一设计的变流器不再能达到附加地用于支持电网所需要的电流。这尤其适用如下情况，即由于欠压或者低电网频率而出现不利的运行条件，其导致总是提高的电流。此外，由于附加要求可能出现附加的复杂性，例如要求低噪声地运行和(通常与此相联系地)在同步转速范围中运行。公知的是，为了更好地充分利用变流器，线性地根据总无功功率预给定(Blindleistungsvorgabe)来确定电网侧的逆变器的无功电流。由此,虽然改善了变流器在获得无功功率方面的充分利用，但是随之出现了特别是在同步点附近严峻运行状态中发生过载的危险。此外，还提出，在运行中动态地改变所述变流器的两个逆变器之间的无功功率分配。这应该根据如下情况来进行，即是否满足了确定的预先限定的条件，以便接着使具有较高有功功率负荷的逆变器摆脱无功功率。已表明的是，所提出的构思在调校时造成了一定的难度，并且通常仅仅能够根据标称转速、标称功率、标称电网频率下的标称点中的运行进行调校。
发明内容
本发明所基于的任务是，改进无功功率的提供，尤其是改进变流器的充分利用。根据本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有利的改进方案是从属权利要求的主题。在一种用于控制风能设备的变流器的方法中，所述变流器连接到双馈异步发电机的转子上，用于将电能馈入到电网，其中，所述变流器包括发电机侧的逆变器、电网侧的逆变器和控制装置，所述控制装置将所要求的无功功率的期望值输出给所述变流器中的至少一个，在所述方法中根据本发明地设计为:针对所述逆变器之一为所要求的无功功率所贡献的分量，确定无功功率期望信号；由所述电网的频率和所述发电机的转速确定转差率信号；根据所述转差率信号计算增益值；借助于所述增益值调整用于此逆变器的无功功率期望信号；以及反向地改变用于所述逆变器中的另一逆变器的无功功率期望信号。本发明的核心在于如下思想，即为了确定要由逆变器之一(优选是电网侧的逆变器)提供的无功功率而服从与发电机转差率有关的增益函数。与转差率有关的增益函数产生由该逆变器引起的期望无功功率分量的放大或者缩小。借助于所述放大或者缩小，实现对该逆变器提供给所要求的无功功率的分量的调制，更确切地说，根据风能设备的转差率状态。这样，例如借助于本发明，在没有转差率或者转差率只很小的情况下(即在同步点中或者同步点附近(也就是说在同步范围中)运行时)提高电网侧的逆变器的分量，以便减轻在同步范围中运行时通常在其负荷限值上运行的、电机侧的逆变器的负荷，反之，在转差率较大的情况下电网侧的逆变器不再需要承担那么大的分量，而是可以贡献较小部分的无功功率。本发明已认识到的是，利用这种与转差率有关的放大或者缩小，无功功率对两个逆变器的分配可以在很宽的运行范围之上优化，而不仅仅如现有技术中已知的解决方案那样在单个离散的预先确定的运行点上优化。通过根据作为输入参数的转差率来调适，本发明实现了，即使在电网频率与标称频率存在偏差的情况下仍然可以相应地使无功功率对两个逆变器的分布相适应。通常在电网频率上升时由于随之出现转差率缩小导致转子绕组的成问题的较高的电流负荷，而借助于根据本发明调整的期望值缩小甚至可以实现逆变器的总计较大的贡献。由此，即使在同步转速范围内常见的严峻运行的情况下本发明仍然提供相对于电网频率偏差的高稳定性，更确切地说，在宽运行范围上。风能设备的可用性由此得到改善，尤其是在同时较高的迄今随着过高的变流器负荷而出现的转矩下以低噪音并且较低的转速运行的可能性得到改善。优选地，借助于等效函数计算所述增益值。在该等效函数中，可以以数学方式描绘系统特性。在这里，有利的是，以风能设备的电气系统的大大简化的等效模型为基础。已证明可行的是二次等效函数。优选地,相对于另一逆变器实现相反的期望值预给定(Sollwertvorgabe),使得相对于电网不会出现变化。原则上，本发明可以实现对用于计算增益值的等效函数的全面描述。所述等效函数可以多项地实现，其方式是:在计算增益值时使用基本函数，所述基本函数优选是二次函数，并且形成有附加的修正项。但是，优选地，从查找表(LUT)中调取所述值。在所述LUT中可以限定网格点的数量，所述网格点专门根据相应的风能设备及其部件来调校。由此实现了，通过相应地选择网格点来考虑部件(尤其是逆变器)的负荷限值以及发电机绕组和变压器绕组的电流负荷能力以及电缆的电流负荷能力。这样，可以避免要求比标称力矩高的转矩。此外，可以考虑风能设备的自身消耗，所述自身消耗依据转差率条件不同(正或负)附加地给相应的变压器绕组加负荷(转差率为正，欠同步运行)或者减负荷(转差率为负，过同步运行)。
利用LUT能够以特别灵巧的方式考虑这种个体差异。不依赖于是使用带有修正项的基本函数还是LUT,分别有利地确定值对(Wertpaare),使得在直至同步范围的下端点值(Eckwert)的转速范围中将所述电网侧的逆变器实际上完全用于提供无功功率，在从所述同步范围的下端点值直至上端点值的范围中实际上完全利用所述电机侧的逆变器，以及在同步范围的上端点值之上又较窄地界定所述电机侧的逆变器的贡献。借助于增益值调整用于无功功率的期望值有利地通过调制来实现。这在实践中可以特别简单地通过乘法来实现。根据本发明的一个有利的实施类型，以基于电流的方式以固定电压为依据进行所述无功功率计算，所述固定电压优选相应于针对电压允差带下限值的电压值(通常是标称电压的90%，或者说相对于设计电压-10%的允差)。这可以实现利用有功电流和无功电流代替有功功率和无功功率进行简单的计算。增益函数可以是多项的。这样，可以设置附加环节，所述附加环节不考虑固定电压，而是考虑可变电压(例如转子电压)和/或其他参数(例如逆变器的温度)。在本发明的意义上，将多项也理解为例如针对特征曲线簇使用多个变量。此外，本发明还涉及一种变流器或者风能设备，其带有为了实施上述方法而相应地构建的控制装置。对于运行原理的详细阐述，参阅上面的描述。
下面参考附图结合有利的实施例更为详细地阐述了本发明。其中:图1示出了风能设备的示意性整体视图；图2a、图2b以原始和简化视图示出了功率流图；图3示出了根据图1的风能设备的发电机/变流器系统的示意性视图；图4示出了根据本发明所构建的用于变流器的控制装置的实施例；图5a至图5c示出了理想化的和修正过的增益值函数的曲线图；图6示出了带有增益函数的框图；图7示出了用于根据图6的增益函数的附加环节；图8a、图8b示出了在不同运行条件下无功功率和转矩的曲线图；图9示出了具有理想化的增益函数和基于网格点的增益函数的特征曲线图；以及图10示出了变形方案的特征曲线图。
具体实施例方式借助图1简要地阐述了根据本发明的实施例的风能设备的一般结构。通过风使风能设备的风力转子12处于转动中。风力转子12通过传动装置30与发电机3相连并且使发电机3的转子32处于转动中。发电机3的定子31经由风能设备的塔架10中的线路电缆13和变压器18连接到电网9上。发电机3的转子32连接到变流器4上，变流器4又同样经由塔架10中的线路电缆14连接到变压器18的第二初级绕组上，并由此连接到电网9上。此外，还设置有用于变流器4的控制装置5，所述控制装置5又与运行控制装置2相连接。在所示出的实施例中，变压器18实施为带有三个绕组，即带有分别分开的绕组，定子31或转子32的线路13和14。同样可以实施为带有仅仅两个或者其他更高数目的绕组。在图3中进一步示出了发电机3和变流器4的共同作用。变流器4包括发电机侧的逆变器42和电网侧的逆变器41，它们通过直流电压中间电路40相连接(可替选地，也可以设置直流电流中间电路)。发电机侧的逆变器42连接到转子32上。电网侧的逆变器41通过扼流圈43连接到通向变压器18的线路14上。为了控制变流器4，设置有控制装置5，控制装置5通过逆变器调节器51、52 (在图3中虚线示出)来操控分别配属于其的逆变器41、42。借助于图2，针对有功功率和无功功率详细阐述了所产生的功率流。在图2a中完整地示出了风能设备的与功率相关的拓扑结构。发电机3利用其定子31产生具有电压Ul的有功功率Pl的无功功率Ql并且将其输送给变压器18。在电压U2下，由电机侧的逆变器42向转子32供应有功功率P2和无功功率Q2。此外，对于电机侧的逆变器42来说需要注意大小为I2i±(I2max)的电流限值。电网侧的逆变器41在电压U3下将功率P3和无功功率Q3馈入变压器18。在该情况下需要注意电流限值I3i±(I3max)。变压器18在电压Un下将有功功率Pt和Qt传输给电网9。图2b示出了构成本发明的观察的基础的简化图示。在这里，将由发电机3和变流器4形成的系统根据电网9的电压水平Un来换算；因此不观察变压器18。此外，为了简化而假定:总是存在允差带中最低的允许电压，即例如UN=0.9XU p (USOll)。通过该固定电压，可以将有功功率和无功功率换算成相应的有功电流和无功电流，它们通过相应的标记W和B来辨识。控制装置5作为框图在图4中示出。控制装置5包括调节芯50，带有期望值信号的控制向量F由运行控制装置2施加到所述调节芯50上。调节芯50从控制向量F中确定用于要提供的总无功功率的期望值的信号。该信号Qt由调节芯50施加到特征曲线环节53的输入端上。特征曲线环节53包含相应于线性有界函数的特征曲线，其以本身公知的方式根据所要求的总无功功率Qt确定要由电网侧的逆变器41提供的无功功率分量Q/并且在该逆变器的输出端上提供。该信号被引导至用于电网侧的逆变器41的逆变器调节器51，但是根据本发明并不直接进行施加。更确切地说，该信号形成原始信号，其由用于根据本发明地计算增益值的模块根据转差率信号进行进一步处理。在增益模块55上，作为输入信号施加有转差率值S。所述转差率值s由前置的转差率计算模块54来确定，在所述转差率计算模块54上作为输入信号施加有电网频率f 和发电机3的转速n的值。应注意的是，转差率计算模块54并非强制性地是所述控制装置5的一部分，而是也可以同样布置在外部，例如作为运行控制装置2的一部分；在这种情况下，转差率信号s作为引导向量的一部分会被施加到控制装置5上并由此施加到增益模块55上。所述增益模块55包含函数环节(Funktionsglied),其描绘出通过网格点确定的特征曲线。对此的例子在图6中示出。根据作为输入值的转差率的信号，增益模块55确定增益值C。所述增益值c通过乘法环节56调制到模块53的输出信号上，并且由此获得的经调整的信号作为要由电网侧的逆变器41提供的无功功率Q3的期望值Q3被施加到其逆变器调节器51上。通过在所示的实施例中构建为差分环节的随动单元(Nachlaufeinheit) 57来确定要提供的无功功率的剩余分量，并且作为期望信号Q2施加到电机侧的逆变器42的逆变器调节器52上 。控制装置也可以实施为紧凑型单元并且集成到逆变器控制装置51、52之一中，例如集成到逆变器调节器52中。这可以实现信号路径的简化，其方式是:用于总无功功率Qt的信号例如仅仅施加到电机侧的集成逆变器52上。参考图6，现在对增益函数的作用进行阐述。将总无功功率Qt的期望值施加到特征曲线模块53的输入端上。所述特征曲线模块53借助所示的有界函数来确定要由电网侧的逆变器41提供的分量。利用图2的标记，其也涉及Q3Wa(Q3soll)或者I3Bwa(I3BSoll)的粗略确定。当然，该值并不是直接被施加到逆变器51上，而是为了进一步处理而与增益函数模块55中的增益值相乘。应注意的是，可以考虑其他变量，例如根据转差率s从特征曲线簇中选择一特征曲线(参见图6中虚线所示)。增益模块55包含通过网格点确定的特征曲线，其中，所述网格点之间的区域通过样条得以线性化。在理想情况下，所述特征曲线相似于Y轴上具有最大值的负二次函数。这种等效函数在图5a中示出。为了适应其他部件的电流负荷能力、为了考虑其他阻抗并且尤其为了考虑风能设备的自身消耗而形成修正项，如图5b中所示。由此产生在图5c中所示的非对称增益函数，其中，为了进行比较示出了理想化的等效函数。根据通过模块54确定的转差率来确定增益值，借助于模块56将所述增益值调制到电网侧的逆变器51的期望值预给定上。在转差率低的情况下(例如转差率为O的情况下)，增益值c达到最大值(放大)，并且电网侧的逆变器承担很大分量的期望无功功率。而在转差率较大的情况下(例如在转差率为-0.2 (标称转差率)的情况下)确定较小的增益值(缩小)，所述较小的增益值通过电网侧的逆变器仅在相应较小的范围被用于产生无功功率。针对增益函数的附加环节59在图7中示出。在所示的实施例中，所述附加环节包括用于电压(例如转子电压)、馈入电流和逆变器41、42的温度的输入端。附加环节的输出信号如增益模块55中那样调制，更确切地说，要么利用相同模块56要么利用另一模块56’进行调制，其中在必要时执行用于调制的另一函数。由此可以实现进一步改变增益值，例如向更高或者更低的转差率值移动。两种应用例子在图 8中示出。在图8b上部示出了在二次增益函数情况下在不同的转速上依据电网频率不同而形成的增益值。值达到0.5，这意味着，电网侧的逆变器41承担达到一半的要提供的无功功率。在电网侧的逆变器41与电机侧的逆变器42之间的这种分配中，可能的、还可以在无过载的情况下被接收的转矩在图8b的下方示出。看到的是，不仅在减低的电网频率(46Hz )、标准的电网频率(50HZ)情况下而且在提高的电网频率(52Hz)情况下，就无功电流在逆变器之间的根据本发明的分配，可以传递大于标称力矩的转矩。相应的内容在图6中示出，当然有附加的限制。在实际运行中情况是，电机侧的逆变器42在同步点中或者在同步点附近的运行时仅仅具有较小的电流负载能力，这是因为，由于基波振荡频率小否则的话可能导致逆变器42的有源元件过热。在该范围中必须降低所述力矩。这在图8a中的切口状的转矩降低处上可以看到，所述转矩降低处分别处于由电网频率确定的同步转速(f=46Hz时#92(^4=50! 时N=IOO分' 以及f=52Hz时N=1040分’左右。尽管在电机侧的逆变器的运行方面有这种限制，但是借助于本发明实现了，使可传递的力矩即使在同步点附近不利的运行条件下仍然保持在标称力矩之上。因此，本发明实现了，借助于通过增益函数改善的无功功率分配，在同步范围中允许的最大转矩能够得到明显提高。这在图9中形象地加以说明。虚线示出在根据现有技术的风能设备中不同转速下的最大力矩，而实线示出的是在根据本发明的风能设备中不同转速下的最大力矩。此外，本发明实现了，在电网频率改变时通常出现的不利负载效应通过增益函数的转差率控制来拦截，其方式是:对功率路径(转子或定子)中提高的有功电流相应地以无功电流的降低作出反应，并且所降低的部分相应地被转移到另一功率路径上。因此随之出现的是，在极限转速情况下转矩频谱扩展。最后，本发明可以通过将修正项引入增益函数中或者有针对性地设置网格点而实现微调，其中，可以考虑功率路径中的所有部件并由此可以防止过载。此外，存在如下可能性，即存储有多个特征曲线，并由此产生不同的转矩界限曲线。此外，在一种变形方案中，可以调整图5中所示的增益函数。这种变形方案的例子在图10中示出。在中间区域中，增益函数在很大程度上类似于图5c中示出的增益函数。但是，在较高的转差率范围s中，增益函数陡峭地上升，以便于是保持在高增益值c上。利用增益函数的这种分布，可以实现更好地防止过载。在转差率值s高的情况下，可能导致转子电压剧烈上升，通过电机侧的逆变器42的提高的无功功率输出来应对所述剧烈上升。由此，在转差率值高的情况下不会出现过载，所述变形方案设计为，通过高增益值c不仅将无功功率输出输送到电网侧的逆变器上，而且通过高无功功率输出降低转子电压。
权利要求
1.一种用于控制风能设备的变流器(4)的方法，所述变流器连接在双馈异步发电机(3)的转子(32)上，用于将电能馈入电网(9)，其中，所述变流器(4)包括电网侧的逆变器(41)、发电机侧的逆变器(42)和控制装置(5)，所述控制装置(5)将所要求的无功功率的期望值输出给所述逆变器(41、42)中的至少一个逆变器， 其特征在于， 针对所述逆变器中的一个逆变器(41)为所要求的无功功率(Qt)所贡献的分量，确定无功功率期望信号(Q3wa)； 由所述电网(9)的频率和所述发电机(3)的转速来确定转差率信号(s)； 根据所述转差率信号(s)计算增益值(c);以及 借助于所述增益值(c)调整用于此逆变器(41)的无功功率期望信号(Q3wa)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，反向地改变用于所述逆变器中的另一逆变器(42)的无功功率期望信号(Q2wa)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于等效函数计算所述增益值(C)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将二次函数用作等效函数。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从查找表中调取所述增益值(C)。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，考虑附加的修正项。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，借助于网格点计算所述增益值(C)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，借助于样条函数在所述网格点之间进行线性化。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，确定所述增益值(C)，使得在直至下同步范围的转速范围中完全利用所述电网侧的逆变器(41)，从所述同步范围的下端直至所述同步范围的上端完全利用所述电机侧的逆变器(41)，以及在上同步范围之上部分地利用所述电机侧的逆变器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，此外在所述转差率信号(S)的值高的情况下，尤其是在所述转差率信号(s)的值处于转差率范围的上端之上的情况下，所述增益值(C)上升,优选直至最大值。
11.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述调整通过乘法来实现。
12.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，以基于电流的方式以固定电压为依据执行无功功率计算，所述固定电压优选是下允差电压。
13.一种风能设备，其具有风力转子(12)、由风力转子驱动的双馈异步发电机(3)，所述双馈异步发电机具有变流器(4 )，所述变流器(4 )包括电网侧的逆变器(41)、发电机侧的逆变器(42)和至少一个变流器控制装置(5)，用于将电能馈入电网(9)，其中，所述控制装置(5)将所要求的无功功率的期望值施加到所述逆变器(41、42)中的至少一个逆变器上， 其特征在于， 设置有计算单元(50、53)，其确定所述逆变器中的一个逆变器(41)针对所要求的无功功率的分量； 设置有增益器模块(55 )，其用于根据所施加的转差率信号(s )计算增益值(c );以及设置有调制器(56)，其用于将由所述增益器模块(55)确定的增益值(c)调整到由所述计算单元确定的、用于此逆变器(41)的无功功率期望信号上。
14.根据权利要求13所述的风能设备，其特征在于，所述变流器(4)构建成用其控制装置(5)来实施根据权利 要求2至12之一所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制风能设备的变流器(4)的方法，所述变流器连接在双馈异步发电机(3)的转子(32)上，用于将电能馈入电网(9)，其中，所述变流器(4)包括电网侧的逆变器(41)、发电机侧的逆变器(42)和控制装置(5)，所述控制装置将用于所要求的无功功率的期望值输出给至少一个所述变流器(41、42)。本发明设置针对所述电网侧的逆变器(41)贡献给所要求的无功功率(QT)的分量，确定无功功率期望信号；由所述电网(9)的频率和所述发电机(3)的转速确定转差率信号(s)；依赖于所述转差率信号(s)计算增益值；以及将所述增益值调整到用于所述电网侧逆变器的无功功率期望信号上。因此，无功功率在两个逆变器上的分配在很宽的运行范围上优化，而不仅仅像现有技术中那样在单个预先确定的运行点上优化。此外，本发明还扩展至具有相应地构成的变流器控制装置的风能设备。
文档编号H02J3/18GK103201925SQ201180045928
公开日2013年7月10日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年1月14日
发明者海因茨-赫尔曼·莱塔斯 申请人:再生动力系统欧洲股份公司