具有多个风能设施的风电场的制作方法

本发明涉及一种用于在电网连接点处将电功率馈入供电网中的具有多个风能设施的风电场。此外，本发明涉及一种具有基于直流电压的风电场电网的风电场。此外，本发明也涉及一种风能设施，所述风能设施设立为使用在这种基于直流电压的风电场电网中。

背景技术：

通常已知的是，也可简称为场电网的常规风电场电网构成为具有三个相的交流电压电网。这种风电场通常构造为，使得在风能设施中产生交流电流并且借助于电变流器将其传输到交流电压场电网中。也存在一种变型方案：使用双馈异步电机，但是所述双馈异步电机也使用变流器。

在电变流器中使用有源的功率开关，例如功率半导体，所述功率开关产生具有特定的频率和特定的幅度的场电网电压。然后，场电网电压通常经由变压器变换到供电网的较高的电压电平上，并进而能够实现将来自场电网的功率馈入供电网中。

原则上期望的是，能够尽可能长且可靠地运行场电网中的风能设施。对此常用的方案是：将场电网的尽可能多的组件构成为无源器件。因为在实践中在大多数情况下无源器件比有源元件具有更高的故障安全性，在风电场中越来越多地使用无源器件的情况下因此也提高了风电场或场电网的故障安全性。

此外必须确保：在场电网中发生故障，例如短路或过电流的情况下，通过适宜的保护措施，能够保护风电场内的风能设施免受可能出现的损坏或破坏。在此期望的是，能够实现至少场电网的与基于交流电压的场电网相比相同的整体可靠性。

用于潮汐发电厂和风能设施的直流场电网已经在公开文献us2011/0198847a1(rollsroyce)中描述。借助于所谓的反激式转换器(英语：fly-backconverter或buck-boostconverter(升降压转换器))，直流电压经由变压器变换到直流场电网中。然而，所描述的直流电压转换原理不适合于能够执行有意义的直流电压传输，因为所示出的反激式转换器原理不适合于高功率传输。

德国专利和商标局在本申请的优先权申请中检索到下述其它现有技术：de19845903a1、us2013/0197704a1、de102004001478a1、de102009028973a1、de102012002292a1、de19711017a1。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是，解决至少一个上文提及的问题。尤其，要提出一种解决方案，所述解决方案以简单的方式引起在风电场电网中的风能设施运行时的安全性提高，尤其是以便应对场电网中潜在的故障，进而提高场电网的整体可靠性。至少要相对于至今已知的解决方案提出一种替选的解决方案。

根据本发明，因此提出一种根据权利要求1所述的用于在电网连接点处将电功率馈入供电网中的风电场。因此，在风电场中产生的电功率经由直流场电网馈入供电网中。

因此，风电场具有直流场电网，所述直流场电网用于将电功率从风能设施传输至电网连接点。因此，在风电场中的电功率的传输作为直流电压或直流电流进行。

为了将功率从直流场电网馈入作为交流电网运行的供电网中，设有变流器，所述变流器也能够称为或构成为逆变器或中央逆变器。所述变流器为此连接在电网连接点处，由此风电场经由所述电网连接点对供电网进行馈电。因此，所述变流器设置在场电网和电网连接点之间。

为了将电功率从风能设施传输到直流场电网中，设有直流-直流转换器。特别是，对于每个风能设施设有至少一个直流-直流转换器。因此特别是将风能设施的直流电压传输到直流场电网中。因此，直流-直流转换器将在风能设施处具有第一直流电压的功率变换为直流场电网中的第二直流电压。第二直流电压，即在直流场电网中的第二直流电压，在此优选高于第一直流电压，即，在风能设施处的第一直流电压。

为此，直流-直流转换器具有开关装置和变压器。所述开关装置特别是具有多个开关。切换这些开关，使得在所述变压器的初级侧上形成具有交变极性的电压。为此，例如切换为，使得风能设施的直流电压的正电压交替地施加到初级侧的第一和第二端子上，而风能设施的直流电压的负电压为此相反地施加到变压器的初级侧的第二和第一端子上。相应地，于是具有不断变换的方向的电流也流过初级侧，并且相应地在次级侧上产生电流。

由此将功率从初级侧传输至次级侧。在次级侧上的整流机构，特别是相应地连接的二极管，引起整流，并进而得到直流电流，和进而得到在直流场电网中的直流电压。

因此，有利地实现了在风能设施和场电网之间的电流分离。也能够实现的是，开关机构的有源器件仅在设施侧位于变压器的初级侧上，即朝向风能设施。根据本发明的解决方案在此是特别有效的，因为所述解决方案同时通过变压器中的正电流和负电流实现高能量传输。

还特别有效的是，以近似矩形的电压变换实施交变极性。为此，特别是提出一种高频变压器。已经认识的是，使用相对高质量的变压器仍然结果是得到低成本的整体解决方案，因为在此能够传输正和负的脉冲，这不只是补偿了高质量的高频变压器的使用。

因此，借助变压器实现了在风能设施和场电网之间的电流分离。此外，在基于直流电压的场电网中仅使用无源器件。根据本发明，有源器件仅在交流侧，意即在设施侧在风能设施的低压电路中以及在电网侧在中央逆变器后方使用，并且因此通过电流分离进行保护以防止在直流场电网中的高电压。由此，也能够提高场电网的故障安全性并且能够在设施侧使用相对低成本的半导体开关，其针对小电压范围设计。

在此以有利的方式利用基于正向转换或谐振转换的原理的直流-直流转换的基本原理。

谐振转换在此基于如下原理：将附加的电容和电感互联，使得包括变压器在内的功率传输路径构成振荡回路并进而在其所谓的谐振点的范围中运行。执行谐振转换的示例性的基础电路例如会是，将附加的电感和电容与变压器的初级绕组串联。

借助于谐振转换器执行直流-直流转换提供了下述优点：能够将开关过程中的损耗功率最小化。在此，谐振转换能够实现下述可能性：能够在电压或电流过零时进行切换。该原理一般而言也能够称为软切换。

此外，能够通过根据本发明的风电场的构造实现极其紧凑且低成本的构造，以及从风能设施到场电网的单级的可在大范围中自由设定的电压升高。因此，经由变压器的变压比ü可良好地设定场电网电压。

此外，直流场电网仅具有用于传输功率的两条主连接线，即一条用于正电压，而一条用于负电压。因此，通过直流场电网架构，与常见的交流电压架构相比，能够节省至少一条连接线。因此能够在构造新的风电场时减少风电场的布线耗费。

此外，在运行直流场电网时重要的是，借助直流短路中断执行选择性的电网保护。在直流场电网中发生故障时，必须能够借助于快速断路开关在短暂的电网切断中实现启用风能设施。在此，选择性的电网保护意味着：能够借助于故障切断或其它保护措施独立地对可能在场电网中的不同位置处或者在设施中或直接在设施上发生的不同的故障做出反应。选择性的电网保护在此多级地执行，使得例如对在风能设施中的故障作出与在场电网中发生故障时不同的反应。同样要考虑的是可能从供电网耦合输入到场电网中的故障。特别是，在局部发生故障时局部受限的切断也属于选择性的电网保护。

根据本发明，已经认识到，在基于直流电压的场电网中有利的是，使用特殊的直流-直流转换器，该直流-直流转换器能够确保适宜的功率传输以及能够实现有源的设施保护。通过应用直流-直流转换器原理，所述直流-直流转换器原理例如基于正向转换或谐振转换，不仅能够确保更高的功率传输，而且还能够实现使变压器与风能设施完全分离。如果在设施侧上在变压器的初级侧上所有开关机构断开，那么风能设施电流地或者至少电气地与场电网去耦合。

此外，在风电场运行时需要使用适宜的电网架构。适宜的电网架构的特征在于，在风电场中发生故障时，不必切断整个场电网，而是能够在部分区域中继续运行。例如，场电网能够构造为环形电网或网状电网或其组合。如果在场电网的部分区域中发生故障，那么使用所谓的断路开关，所述断路开关在电网电压短暂中断期间隔离故障，以便将发生故障的部分区域与其余的无故障的场电网分离。然后，能够继续运行没有发生故障的部分区域，并且能够将在该部分区域中产生的电功率馈送到供电网中。

根据本发明，至少根据一个实施形式，因此通过使用适宜的开关装置连带变压器实现了在功率传输时显著更高的效率，以及对于直流场电网提出基本上新的电网保护方案。

优选地，开关装置的风能设施在直流电压输出端处提供直流电压，该直流电压能够借助于开关装置从初级侧变换到次级侧。

所提供的直流电压在此例如能够源自风能设施的变流器的中间回路。为此，例如能够在具有同步发电机的风能设施中设有整流器，所述整流器能够通过对由发电机产生的交流电流进行整流来为直流-直流转换器提供直流电压。

在直流电压输出端处提供的直流电压在此能够被描述为低电压并且对于中间回路具有<1000v的典型的电压值。

优选地，开关装置包括至少两个功率开关和/或至少四个功率开关，所述功率开关设立为用于，在初级侧上施加呈交变极性的电压形式的直流电压。

因此，功率开关的互联能够执行为半桥或全桥电路，例如所谓的h桥。

作为功率开关例如能够使用常见的功率开关或功率晶体管，如igbt、晶闸管、mosfet或双极晶体管。

在此，操控功率开关，使得在第一开关位置中，通过第一功率开关将直流中间回路的正电压施加到初级绕组的第一连接点处，并且通过第二功率开关将直流中间回路的负电压施加到初级绕组的第二连接点处，使得电流沿第一方向流过初级绕组。

在第二开关位置中，通过第一功率开关将直流中间回路的正电压施加到初级绕组的第二连接点处，并且通过第二功率开关将直流中间回路的负电压施加到初级绕组的第一连接点处，使得电流沿第二方向流过初级绕组。然后在这两个开关位置之间切换，使得电流方向相应地不断变换。

这也能够通过四个功率开关来实现。因此，通过使用至少两个或四个功率开关可行的是，在变压器的初级侧上生成交变极性，并且在初级绕组中产生变换的电流，这引起次级绕组中的变换的电流。由此，功率或能量从变压器的初级侧传输到次级侧。

优选地，直流-直流转换器的变压器构成为高频变压器。通过切换有时会产生高的频率分量，所述高的频率分量因此能够被传输。这些高的频率分量特别是能够通过大的开关频率和/或陡峭的开关边沿引起。通过使用高频变压器，实现了损耗少的传输。典型的大的开关频率位于20khz-200khz的范围内，自该开关频率起由于成本效率而使用高频变压器才是值得的。根据一个实施形式提出，使用具有在该范围中的开关频率的高频变压器。

因此，通过使用高频变压器可行的是，尤其能够非常低损耗地以高效率传输电压。此外，使用高频变压器能够实现功率开关的使用，所述功率开关具有特别高的开关速度或陡峭的开关边沿。例如，现代功率晶体管如igbt或sic-mosfet具有数kv/μs的大的或陡峭的开关边沿。

此外，与常规的变压器相比，借助高频变压器能够实现在开关装置中功率开关的显著更高的开关频率。总体上，通过使用高频变压器能够改进在传输直流电压时的效率。

优选的是，直流-直流转换器的变压器构成为升压变压器，以便将初级侧上的较低的电压变换为次级侧上的较高的电压。

根据本发明，在初级侧上的电压低于在次级侧上的电压或场电网电压。所述场电网电压在此仅对应于变压器的次级侧上的经整流的电压。

因此可行的是，将通过风能设施提供的直流电压在直流电压输出端上升压变换到更大的电压范围中。此外可行的是，以可预设的变压比ü将电压从初级侧变换到次级侧。

优选的是，直流-直流转换器的变压器构成为电流分离级，以便在风能设施以及直流场电网之间执行电流分离。因此，变压器构成为，使得从初级侧到次级侧的连接以及相反的连接仅经由电磁耦合产生。不存在电流连接。

将电流分离的变压器用作为保护断开装置提高了在运行直流场电网中的风能设施时的安全性。特别是能够避免直流场电网中的过电压对风能设施的威胁。

通过电流分离，没有短路电流能够耦合输入到低压回路中，并进而防止：存在于场电网中的总能量不能经由变压器放电。此外，通过变压器的无源的实施方案也提高了场电网的可靠性。

优选的是，直流-直流转换器的变压器构成为高压变压器，以便也针对高电压实现在风能设施以及直流场电网之间的安全的电流分离。在此，也能够基本上自由选择在高压变压器的初级侧和次级侧之间的变压比ü。

提出至少为5，优选至少为20，尤其是至少为50的值作为变压器的变压比ü，所述变压比原则上适用于任何上文或下文描述的变压器。在正常运行中优选的直流场电网电压在此为至少6kv，优选至少14kv，尤其至少20kv。

通常，变压器的变压比ü经由比率u次级/u初级＝n次级/n初级来描述，其中u初级和u次级描述电压，以及n初级和n次级描述初级侧和次级侧的相应的绕组数量。

因此可行的是，能够在高压直流电网中在初级侧和次级侧之间存在大的电压差的情况下运行变压器，并且能够任意地设定电压比。

优选地，直流场电网具有用于传输大的功率的电压，所述电压大于6kv。

场电网电压大于6kv，因此能够实现足够大的功率流，以便将由风能设施产生的功率馈入供电网中。在此能够实现大于14kv的电压，以在没有变压器的情况下实现电网侧的逆变器的运行，因为中间回路电压是足够大的。

优选地，次级侧具有至少两个整流机构，其中整流机构设立为用于，借助于双向整流将从初级侧到次级侧的变换后的电压整流为直流场电网的直流电压。

在此，作为双向整流一般而言理解为如下整流装置，特别是具有至少两个整流机构或二极管的二极管装置，其用于对正电压和负电压进行整流。在此，能够将电压的负分量和正分量整流成单极性直流电压。双向整流的其它技术术语也是两向整流或全波整流。

因此，根据本发明，能够将经由变压器传输的具有交变极性的电压整流成直流场电网电压。

优选地，双向整流构成为中心点-双向整流电路和/或桥式整流电路。

优选地，整流机构构成为高压二极管。

因此，根据本发明可行的是，将次级侧上的经转换的电压整流为高的电压等级。

优选地，变压器具有中心抽头，以便进行中心点-双向整流。

中心抽头的优点在于，通过电路的结构上的构造，仅一半的所传输的电压降落到中心连接点，并且与具有四个二极管的全桥变流器相比，仅需要两个二极管。

还已经认识到，在风电场运行时，在不同的部位处例如在风能设施、场电网或属于风电场的总系统的其它组件中可能会发生故障。因为故障通常是不可预见的，在此提出：对于安全运行，提出在场电网的构造方面的多级保护方案，所述多级保护方案能够实现：将风能设施和场电网彼此分离和无电压地切换。同样应确保：场电网能够与供电网分离并且无电压地切换。

根据一个实施形式提出，逆变器在场电网侧具有放电或接地装置，以在整个直流场电网中和/或在直流场电网的部分区域中实现无电压状态，其中放电或接地装置优选具有斩波器和/或放电电阻器。特别是在直流场电网的情况下，在切断之后，在直流场电网中仍能够继续存在电压，至少存在残余电压，因为例如存在于直流场电网中的电容器仍然带有残余电压。为了消除这种电压或残余电压，提出放电或接地装置。例如，残余电压能够借助于斩波器以脉冲的方式引出到地。也考虑经由放电电阻器将直流场电网的两个电压电位的电连接。放电电阻器也能够用于将电压导出到地。放电电阻器也能够与斩波器一起使用，其方式为：斩波器经由放电电阻器以脉冲方式将电压引出。

本发明还基于下述思想：适宜的保护措施通常是引入直流场电网中的保护开关或者是能够确保选择性的电网切断的适宜的电网架构。用于高的直流电压等级的保护开关的缺点是大的成本因素。因此，提出适宜的直流场电网架构的选择，以便实现可靠的电网保护。

特别是，能够借助于通过电流分离在风能设施和场电网之间进行去耦合来实现适宜的保护，所述电流分离呈变压器和适宜的直流-直流转换的形式。该构造能够实现风能设施与场电网的低压侧的解耦。

还提出的是，开关机构和断路开关在场电网中使用，使得它们能够实现根据故障位置自动再次接通或短暂中断或快速隔离故障。因此，借助于场电网中的断路开关来短暂中断和快速隔离故障是另一可能的保护措施，以便对场电网的高压回路中的故障做出反应，而不必切断整个风电场。

此外要注意的是，术语“短暂中断”--也作为自动再次接通已知—以及隔离是电网保护和电力工程技术领域中已知的技术术语。

另一设计方案提出，至少一个耗电器和/或储能器设置在场电网中，以便在将供电网和场电网分离时能够电消耗在场电网内的功率。如果由于在供电网中的故障或根据电网运营商的规定必须将风电场与供电网分离，那么因此仍然可行的是，消耗功率或将功率馈入到为此设置的储能器中。这在如下情况下能够是有利的：仅短暂地存在故障并且由于缺少负载而不必立即切断风能设施。

也能够有利的是，不存在多级保护方案或不存在选择性的电网保护。在公开文献us2011/0198847a1中特别是也没有公开：借助于适宜的开关装置将风能设施主动分离或借助于场电网中的断路开关来短暂中断。由于不适宜的变压器，在该文中所示的技术还可能具有特别高的杂散电感，这会导致在功率传输时的差的效率。相应地，现在根据本发明提出更适宜的解决方案。

根据本发明还提出一种用于控制风电场的方法，所述风电场用于将电功率在电网连接点处馈入供电网中，其中所述风电场具有：

-至少两个风能设施，以用于产生电功率；

-直流场电网，以用于将电功率从风能设施传输到电网连接点；和

-设置在直流场电网和电网连接点之间的逆变器，其中所述逆变器将直流场电网的直流电压变换为交流电压，以便将风能设施的电功率馈入供电网中；

-设有至少一个直流-直流转换器，并且将电功率从至少一个风能设施馈入直流场电网中，其中

-所述直流-直流转换器具有开关装置和带有初级侧和次级侧的变压器；-所述初级侧经由开关装置与至少一个风能设施耦合，

-所述次级侧经由至少一个整流机构，尤其是具有多个二极管的整流机构，与直流场电网耦合，并且

-所述直流-直流转换器借助于开关装置在变压器的初级侧上施加具有交变极性的直流电压，其中由此将至少一个风能设施的直流电压从所述初级侧变换到所述次级侧。

优选地，所述方法如结合上文或下文描述的风电场所阐述的那样运行。优选地，所述方法使用这种风电场。

附图说明

下面，现在示例性地根据实施例参照所附的附图详细阐述本发明。

图1示出根据一个实施形式的风能设施的示意图。

图2示出根据一个实施形式的风电场的示意图。

图3示意性地示出根据另一实施形式的根据本发明的具有直流场电网的风电场的构造。

图4示意性地示出根据另一实施形式的根据本发明的具有直流场电网的风电场的构造，其中实施选择性的电网保护。

具体实施方式

图1示出风能设施100，所述风能设施具有塔102和吊舱104。在吊舱104处设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和整流罩110。所述转子106在运行中通过风置于转动运动中，并进而驱动吊舱104中的发电机。

图2示出风电场212，所述风电场具有示例性的三个风能设施200，所述风能设施能够是相同的或不同的。因此，三个风能设施200代表风电场212的基本上任意数量的风能设施。风能设施200经由直流场电网214提供其功率，即尤其所产生的电流。在此，各个风能设施200的相应产生的电流或功率相加，并且在此设有中央逆变器216，所述中央逆变器将风电场中的直流电压转换为交流电压，以便然后在通常也称为pcc的馈电点218处将相应的电流馈入供电网219中。图2仅是风电场212的简化视图，所述视图例如没有示出控制装置，尽管控制装置自然是存在。

图3示出根据本发明的风电场312的详细的实施形式。每个风能设施300利用可转动的转子306借助于发电机320将机械能转换成电功率。发电机320在此产生6相交流电压，所述6相交流电压借助整流器322整流成直流电压。在此，整流器322也能够在直流电压侧具有电容器323作为储能器。在此，整流器322与开关装置324电连接，使得能够提供开关装置324的整流器的经整流的直流电压。

开关装置324在此具有总计四个功率开关s1、s2、s3和s4，其中四个功率开关设置成全桥电路，所述全桥电流也能够称为桥式电路或h桥。串联连接的开关s1和s2在此构成第一桥分支，并且同样串联连接的开关s3和s4构成第二桥分支。此外，变压器326的初级侧350电连接到开关装置324的两个桥支路上，即在开关s1和s2之间具有第一端子以及在开关s3和s4之间。

通过对角地接通开关s1和s4，其中断开开关s2和s3，能够在变压器326的初级侧350上产生正电压。相反，如果开关s2和s3处于导通状态而开关s1和s4处于非导通状态，那么在变压器326的初级侧350上施加具有负号的电压。

根据电压的极性，电流的符号也通过变压器326的初级侧350变换。因此，开关装置324在变压器326的初级侧350处生成具有交变极性的电压。

将具有交变极性的电压以变压比ü变换到变压器326的次级侧352。在此，变压器326具有带有中心抽头354的半分区。中心抽头354允许经由整流机构328进行双向整流。在此，中心抽头354与场电网314的第一主连接线电连接，而整流机构328经由共同的连接点与第二主连接线电连接。

因此，在变压器326的次级侧352上将变换的直流电压通过整流机构328根据本发明整流为场电网电压。中央逆变器316电连接到场电网314的两个主连接线上。中央逆变器316—所述中央逆变器同样能够具有作为储存器的电容器323--然后将从场电网中所产生的功率在电网连接点318处馈入三相供电网319中。

图4示出根据本发明的风电场312的另一详细的实施形式，并且图解示出根据一个实施形式的多级和选择性的电网保护方案。为了更好的概览性，在图3和图4中的类似的、但不一定相同的元件设有相同的附图标记。在所示出的实施形式中，开关装置324的开关s11、s21、s31和s41断开。借助打开的开关位置，变压器326的初级侧350与风能设施电气地去耦合并进而被隔离。

同样地，用于每个风能设施的次级侧352能够经由断路开关356、357与场电网314电气地、尤其是电流地分离。在图4中所示出的实施形式中，作为示例示出，风能设施300如何与场电网314电分离，并且断路开关356断开，其中风能设施301仍然经由断路开关357与场电网连接。因此，例如能够在风能设施300处执行维护工作，并且同时风能设施301仍然能够主动地馈电到供电网319中。

此外，断路开关356、357、358、359能够任意地设置在场电网314中。例如，如果在风电场312的另一部分区域中--在图4中不再示出--发生故障，那么能够经由所示出的断路开关358将场电网的另一部分区域断开。

同样在图4中示出接地装置360，所述接地装置也能够被称为放电装置，所述放电装置具有负载电阻器362和另一开关机构364。所述开关机构364能够作为斩波器工作并且经由负载电阻器362经由脉冲传导电流，其因此作为放电电阻器工作，因为示例性地示出的中间回路电容器323能够由此放电。因此，所述接地装置360例如能够具有斩波器，并且附加地或替选地具有放电电阻器或放电阻抗。因此，接地装置的目的是，能够使场电网314放电，并且同样能够用于使逆变器316的中间回路电容器323放电。因此可行的是，能够使场电网314无电压地切换，这特别是对于维护目的而言能够是重要的，以便保护服务人员。