具有连接保护装置的风能发电设备的制作方法

专利名称：具有连接保护装置的风能发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风能发电设备，该风能发电设备具有转子；由转子驱动的用于 产生电功率的发电机，该发电机具有变频器，所述电功率通过设置有电压监测的变压器被 输出到电网中；以及控制系统，该控制系统包括变频器控制装置，使得可以调整所输出功率 的无功分量。
背景技术：
风能发电设备通常通过变压器连接到电网上以传输电功率。该变压器用于将存 在于风能发电设备本身上的相对低的电压电平提高到电网的较高的电压电平(中压或高 压)。通常，风能发电设备产生高达IkV的电压电平(常用的电压是690伏)下的电功率， 并且这些风能发电设备借助于变压器连接到中压电网(电压范围为大约20kV)；—些较新 型的具有高功率的风能发电设备一如Itepower 5M或6M—也可以提供由其输出的中压电平 的功率，其中变压器位于该风能发电设备内。变压器传输由风能发电设备所产生的全部功 率，并且因此尤其是在较高负载的状态下承担高负荷。因此为了免受过载损害，公知的是为 变压器设置监测装置。公知的是，在变压器侧设置电压测量。利用该电压测量确定电压是 否处于预先给定的范围，以便因此在离开该预先给定的范围的情况下为慎重起见将风能发 电设备从电网断开。在具有高达2MW范围内的功率的风能发电设备的情况下常见的是，监测变压器的 低压侧、即风能发电设备侧的电压。这种布置提供良好地保护风能发电设备和变压器的优 点。但是该布置具有的缺点是，根据负载情况，可能由变压器造成与理论变压比相比高达 5%的电压差。由此存在的危险是，在变压器的高压侧出现过高的电压偏差，也就是说，未遵 守所期望的范围。在其它功率更高的风能发电设备的情况下，常常应用相反的方案。也就 是，监测变压器的高压侧、即电网侧的电压。该布置提供更佳地监测风能发电设备在要保护 的电网处的行为这一优点。但是，在此也出现如下情况可能由于变压器而导致另一侧、在 此为低压侧上的高于5 %的不允许的电压偏压。因此，在将测量装置布置在变压器的高压侧 的情况下所存在的危险是，在低压侧上不遵守极限值。那样的话，为了保护风能发电设备可 能需要特别措施一如监测最小有功功率的遵守(以本身力求的无功功率输出为代价)，以 保证风能发电设备的足够的自供应(DE-A-103 44 392)。原则上可以通过相应较窄地选择公差带来补偿由变压器所感应生成的电压变化， 但是这所具有的缺点是由此(显著地)限制风能发电设备的可能的工作点，这导致能量产 量的相应减小。因此，选择较窄的公差范围导致效率和效率计划的减小，由此导致明显的收 益损失。

发明内容
本发明所基于的任务是，为此说明避免上述缺点的开头所述类型的改善了的风能 发电设备以及运行方法。
根据本发明的解决方案在于独立权利要求的特征并且优选地在于从属权利要求 的特征。—种风能发电设备，该风能发电设备具有转子；由所述转子驱动的用于产生电 功率的发电机，所述发电机具有变频器，所述电功率通过变压器被输出到电网中，为所述变 压器设置电压监测；以及控制系统，所述控制系统包括变频器控制装置，其中所述控制系 统将对于无功分量的调整信号施加到所述变频器上，根据本发明规定在变压器处布置电 压测量装置，所述电压测量装置的电压信号被施加在与状态有关的额定值移位器的输入端 上，所述额定值移位器的输出信号被施加到用于作用于变频器的无功分量的限制模块上。首先阐述所使用的一些术语应将无功分量理解成说明功率或电流的无功部分的高度的电参数。因此，对本发 明不重要的是，无功分量是涉及功率还是电流。在所期望的情况下，可以在考虑到电压的情 况下在两个量之间进行换算。为了清楚表述的原因，在下面的文字中假定无功分量为无功 电流；所述实施例类似地适用于无功功率。应将“与状态有关”理解成，电压、电流和/或功率的值作为信号被施加到额定值 移位器上。在此，所述值可以被直接测量或者可以从其它值中被间接地确定。本发明所基于的思想是，通过有针对性地根据电压引导无功电流来运行风能发电 设备，使得实现不仅保护风能发电设备本身，而且还保护变压器和电网尤其是免受过高的 电压损害。本发明已经认识到，该危险问题的关键是，变压器处的不允许的电压是由于变压 器的无功分量。更确切地说，关键在于通过变压器的无功电流以显著的幅度(其可能达到 和超过几个百分点)改变变压器的主磁场电压以及由此低压侧的电压。这意味着，附加于 电网侧的公差带，同样必须保持在确定公差带内的低压侧电压由于通过变压器的无功电流 被改变。本发明已经认识到越过变压器的电压行为与无功分量流之间的这种关联，并且利 用这种关联来解决根据本发明的任务。为此，本发明规定根据变压器处的电压、更确切地 说以根据本发明所设置的额定值移位器的形式来引起对无功分量的有针对性的引导。本 发明所利用的是，现代风能发电设备不仅将有功功率馈送到电网中，而且还被构造为输出 无功功率；为此，该风能发电设备具有调整能力，通过所述调整能力可以调整如无功电流分 量、无功功率值的无功分量或者功率因数。这样的调节本身是公知的。在此，本发明在于对 现有的调节进行如下补充在需要时借助于根据本发明所设置的与该风力发电设备和电网 的电压或无功功率状态、尤其是变压器处的电压有关的额定值移位器来引起所设置的无功 功率度量的改变，以便因此通过有针对性地引导无功分量来限制变压器处的电压(其基本 上由主磁场电压确定)。这通常以如下方式进行在电网中过压的情况下，通过与状态有关 (在此为与电压有关)的额定值移位器将无功分量向欠激励状态移动。对于无功电流而言， 这意味着(如在发电机参考箭头体系(ErzeugerzShlpfeilsysem)中)无功电流在
欠压的情况下为负。因此，上游电网中的电压以及变压器的低压侧的电压和风能发电设备 处的电压都由于电网的电抗上的电压降而被降低。与状态有关的额定值移位器在电网中欠 压的情况下通过将无功分量向过激励状态改变而发挥相应的作用，由此由于电网电抗上的 电压降而提高上游电网中的电压、以及变压器的低压侧的电压和风能发电设备处的电压。 由此，不允许的过压或欠压的影响被连续地减小(例如从高压电网中的30%的偏差减小到
5中压电网中的20%以及风能发电设备处的仅仅15% )。因此，本发明仅仅利用小的附加成本实现了组合的保护，即对电网、变压器、以及 风能发电设备的保护。在此，原则上不重要的是，对变压器处的电压的监测是在变压器的高 压侧还是在变压器的低压侧进行。在两种情况下都通过根据本发明的功能实现了从机器仓 出发在相应另一侧所缺少的保护。因此对于本发明而言，通常已经存在的用于测量变压器 一侧(无论是高压侧还是低压侧)的变压器电压的硬件是足够的。因此，不产生或者仅仅 最小地产生本发明的附加硬件成本，因为可以使用现有测量量。此外，本发明使得能够更佳地利用变压器。因此，不再需要如迄今为止由于超过电 压的公差极限而进行的过大的尺寸确定。因此，可以使用更小的和更有效的变压器。同时， 对电网、以及风能发电设备的保护都得到改善。为了获得额定值移位器的尽可能快速的响应，额定值移位器适宜地直接作用于变 频器。这应理解为直接作用于变频器的有源开关元件、以及作用于其快速的变频器控制装 置。应将快速的变频器控制装置理解为如下的控制电路所述控制电路又直接作用于变频 器的有源元件；该控制电路应当与运行控制装置本身的通常明显较慢的控制电路相区别。 因此，实现电网中的风能发电设备在经受瞬态过程方面的明显改善的行为，所述瞬态过程 例如为短时电压峰值(HVRT-High Voltage Ride Though(高电压穿越))或短路(LVRT-Low Voltage Ride Though (低电压穿越))。为了增大额定值移位器的根据本发明的效果，可以进一步规定额定值移位器与 负载移位模块协作，所述负载移位模块在欠压或过压的情况下作用于控制系统，使得减小 所输出的功率或电流的有功部分以有利于无功部分。因此，实现一种优先级控制，其中有功 电流在必要情况下被减小，以便能够以较高的程度将变频器的(有限的)电流容量用于产 生无功电流。因此，显著提高了风能发电设备恰好在高负载的时间为了支持电网所能贡献 出的份额。而为此所需的附加成本是最小的，并且由于减小的有功功率提供所造成的收益 损失同样是可以忽略的，因为由于在动态电压偏差(HVRT，LVRT)情况下的优先级控制，这 样的移动以仅仅几毫秒的时长被使用。优选地为变压器设置温度传感器，所述温度传感器的信号作为另一状态信号被施 加到额定值移位器的输入端上。优选地，所述温度传感器被布置在变压器的芯处。这所基 于的根据本发明的认识是，由于无功分量对于变压器的负荷的意义，必须特别地监测变压 器芯，因为变压器芯通常仅仅由于所施加的电压、更确切地说内部主磁场电压而升温。本发 明的贡献在于已经认识到，对于此处所基于的问题而言，可能不重要的是一更确切而言尤 其是在具有强制通风的(浇注树脂)变压器的情况下不重要的是一由于有功电流传输给变 压器造成的负荷。本发明已经认识到，当仅仅电网电压为高时也可能产生变压器的临界情 况，由此如果不根据本发明采取应对措施，则变压器在空转中就已经可能过热。此外，本发 明已经认识到，主磁场电压在除电压以外还利用无功功率运行的情况下显著地受到通过变 压器所传输的无功分量影响，使得在过激励的运行中，可能由于与之相联系的芯中的高铁 损而导致不允许的升温，并且由此导致关闭。这结合根据本发明的额定值移位器通过在芯 处布置温度传感器而被抵消。此外，所述控制系统优选地具有运行控制装置，为所述运行控制装置设置有相同 类型的第二额定值移位器。应将“相同类型”理解成，所述额定值移位器基本上具有与上述额定值移位器相同的功能，但是动态行为可以在需要时为了更简单的实施而较慢，以便因 此更好地与运行控制装置的通常明显较慢的采样速率相协调。借助于该第二额定值移位 器，可以实现对根据本发明的功能的监测，尤其是可以在借助于第二额定值移位器的计算 得出一尤其是在准稳态或稳态运行中一仍然可能超过极限值时关闭风能发电设备。利用由 此实现的对根据本发明的额定值移位器的监测，提高了被相应地装备的风能发电设备的安 全性。优选地，应将“低采样速率”理解成比根据本发明的上述额定值移位器小至少一个数 量级(1 10)的采样速率。优选地，由风能发电设备所输出的无功分量的度量被施加到第二额定值移位器的 另一输入端上。因此可能的是，用于该额定值移位器的电压信号可以在变压器的任意侧被 获取(根据何处已经存在测量硬件)，并且在必要情况下在考虑到由变压器所传输的无功 分量的情况下可以计算出变压器的另一侧的电压测量值。因此，在变压器的一侧设置测量 硬件就足够了，从而附加地在另一侧设置测量硬件是多余的。该控制系统优选地进一步包括监控模块，所述监控模块与具有可变的极限值的电 网保护继电器协作，所述电网保护继电器的极限值通过输出的无功分量被共同确定。因此， 根据本发明的额定值移位器也可以用于控制电网保护继电器，使得改进的开关行为也有利 于保护风能发电设备。额定值移位器优选地被构造为使得其包括具有限制器的PI调节器。在该调节器 的输入连接端上施加有变压器处、优选地为低压侧的电压的测量值，并且在此形成与最大 电压的差。该值针对P环节并且为了稳态的精确度而被引导通过调节器的I环节，其中参 数被确定为使得作为输出功率输出无功分量的信号(例如或Ι±κ)。该信号被引导通 过限制器，所述限制器将该信号限制在表示最小值和最高值的可调整的值。适宜地设置双 回路的调节器结构，其中一个回路如上述那样针对上限被设置并且第二回路针对下限以相 应的构造被设置。那样的话，一个回路用于过压，另一回路用于欠压。PI调节器被有利地 构造为使得从与极限值(无论为最大极限值还是最小极限值)的电压差中确定对于无功分 量的校正值。无功分量可以如上述那样是无功功率或无功电流的度量。这样的结构所提供 的优点是，这种结果从方案上来看是简单的。但是需要测量变压器的低压侧的电压。因此， 调节方案可以有利地与变压器的节段模型相组合，使得测量变压器的电网侧的电压就足够 了，并且可以通过节段模型确定替代测量值。那样的话，取消了用于低压侧的单独测量位置 的附加成本。在另一优选实施方式中，额定值移位器被构造为使得其具有无功分量控制装置和 限制器。与调节装置相比，控制装置所提供的优点是，所述控制装置由于缺少反馈而可以非 常快速并且几乎无延迟地工作。因此，可以实现更快的限制并且由此尤其是对于风能发电 设备的敏感的电子装置实现更佳和更有针对性的保护。此外，控制装置所提供的优点是，不 需要通常高成本地确定调节器参数。无功分量控制装置优选地被构造为使得其从电压和无 功功率的信号中直接确定无功分量校正值。为此，无功分量控制装置优选地被构造为二维 特征曲线元件。应将特征曲线元件理解成包含允许的电压/无功功率或无功电流组合的极 限曲线的元件。可替代地，也可以规定替代于特征曲线元件设置额定值矩阵。这样的额定 值矩阵特别好地适于例如以LUT (Look-Up Table (查找表))的形式实施在计算机中。这开 辟的可能性是，将极限曲线安排为非线形的，另外也可以容易地设置连续但不平滑的曲线变化曲线。如在调节装置的实施方式的情况中那样，优选地也设置具有用于过压的回路和 用于欠压的回路的双回路控制结构。同样可以如在调节装置的变型方案中那样规定测量 值在变压器的另一侧被获得并且利用节段模型被换算。可选地，可以设置用于动态运行情况的单独的特征曲线。为此，特征曲线元件优选 地被构造为使得实施另一特征曲线并且在施加切换信号的情况下切换到该另一特征曲线。 运行控制装置优选地具有动态控制模块，所述动态控制模块根据可以预先给定的标准输出 切换信号。利用附加的特征曲线，可以短时地提高极限值，例如可以由变频器馈送更多的电 流。但是由于动态情况下的限制，不导致由于过热造成的损害。在调节装置的情况下，可以 在参数方面相应地设置。此外，本发明延伸到一种用于风能发电设备的电网保护方法，所述风能发电设备 具有转子；由所述转子驱动的用于产生电功率的发电机，所述发电机具有变频器，所述电 功率通过变压器被输出到电网中，在所述变压器处的电压被监测；以及控制系统，所述控制 系统包括变频器控制装置，其中输出功率的无功部分通过无功分量被调整，其特征在于，测 量变压器处的电压；借助于与状态有关的额定值移位器确定对于无功分量的校正信号；以 及将所述校正信号用于限制所述无功分量。关于该方法的进一步阐述，参阅前面的描述。


下面参考附图阐述本发明，在附图中示出有利的实施例。
图1示出通过变压器连接到电网上的风能发电设备的总览图2a_d示出通过变压器的不同连接类型的电路图3a、b示出变压器的等效电路图4a、b示出图3的绕组构造和磁场特性；
图5示出变压器的简化的等效电路图6示出本发明的第一实施例的框图7示出本发明的第二实施例的框图8示出第二实施例的特征曲线元件的极限曲线；
图9示出特征曲线元件的可替代的设计；以及
图10示出通过不利用和利用本发明的变压器的电压-无功功率图。
具体说明方式
为清楚起见，首先根据示意性示例阐述风能发电设备的构造，该风能发电设备是
后面所阐述的本发明实施例的基础。整体上用附图标记1表示的风能发电设备包括塔架 10，该塔架10具有在其上端以可在方位方向上旋转的方式布置的机器仓11。在该机器仓 11的一个端面上以可以转动的方式布置有风轮12，该风轮12通过(未示出的)转子轴驱 动用于产生电能的发电机2。发电机2本身可以为任意类型，通常是同步发电机或者双馈异 步发电机。发电机2与变频器3相连接。在该变频器3上连接有连接线路13，该连接线路 13通过塔架10通向被布置在塔架底座处的中压变压器8。给中压变压器8分配有电网保 护开光18。通过电网连接线路19，中压变压器8将由风能发电设备1所产生的电功率输出 给电网9。电网9可以是公共输电网或者是风电场的内部电网。
在图2中风能发电设备的不同实施方式中示出由发电机2在风轮12的力的作用 下所产生的电功率流。图2A示出具有全变频器(VollumirChter)3'的实施方式。在此， 发电机2'例如被实施为同步发电机，并且可以根据风力强度以任意转速旋转，其中由该发 电机产生的电能具有与风轮12的转速相对应的频率。变频器3'由(在此未个别示出的) 发电机侧变流器、电网侧变流器构成，在该发电机侧变流器与电网侧变流器之间布置有中 间电路。由发电机2'所产生的交变电流被机器侧变流器变换成直流电流或直流电压并且 被馈送到中间电路中，从该中间电路该直流电流通过电网侧变流器以与电网频率相对应的 频率通过变压器8被馈送到电网9中。在这种构造方式的情况下，由发电机2'所产生的全 部电功率都流经变频器3。从变频器3那里，电功率通过连接线路13和变压器8以及电网 线路19被馈送到电网9中。图2B示出变压器8'被实施为具有两个低压绕组的三绕组变压器8'的变型方 案。在每个共同与发电机2'相连接的绕组上都连接有变频器3'。因此，由发电机2'所 产生的功率被划分成两个分支，使得每个变频器3'需要传输更少的功率。这对于大功率的 风能发电设备而言是有意义的。能够理解，该划分原理也可以应用于3个或3个以上的分 支。图2C中示发电机2被实施为双馈异步发电机的变型方案。该双馈异步发电机包 括定子绕组(外部电路)以及转子绕组(内部电路)。定子绕组与连接线路13和变压器8 固定地连接，并且通过其与电网9连接。转子绕组与变频器3连接，变频器3的另一端连接 到连接线路13上。在这种构造方式的情况下，由发电机2所产生的功率的仅仅一部分流经 变频器3 (通常为大约三分之一)，而主要部分直接通过变压器8流入电网9。因此在这种 构造方式的情况下，可以给变频器3确定较小的尺寸。图2D示出图2C的变型方案，其中再次使用具有两个低压绕组的三绕组变压器 8'。在一个低压绕组上直接连接有发电机2的定子，而在另一低压绕组上通过变频器3连 接有转子。这些低压绕组优选地被设计为用于不同的电压电平，使得与同变频器连接的低 压绕组相比，在与定子连接的低压绕组处存在更高的电压电平。这使得也能够有效地连接 具有非常高的功率(如3000kW及以上)的风能发电设备。从前面的描述中能够认识到，变压器8、8'在如下方面具有重要的意义在每个 变型方案中，全部功率流经变压器8、8'。下面将简要阐述变压器8、8'的构造及其电作用 方式。图3A中示出具有两个绕组的变压器8的单极等效电路图，并且图3B中示出具有三 个绕组的变压器8'的单极等效电路图。在此，电压U1、U2以及可能U3表示三个绕组的电 压，其中数字1表示高压侧，并且数字2以及可能数字3表示低压侧的绕组。相应地，电阻 R1、R2以及可能R3是这些绕组的欧姆电阻，并且是绕组损耗的度量。电抗X1、X2以及可能 X3是绕组漏电抗。用XH表示引起变压器8、8'的实际磁化的主电抗。并联有表示磁芯的 欧姆损耗的电阻REF。应当指出，在运行中，所述电抗和电阻是在主电抗XH上降落的电压的 分压器，其中该电压被称为主磁场电压UH。在图4A中针对低压变压器并且在图4b中针对中压变压器示出绕组构造和漏电抗 X的相应的变化曲线。由于变压器的热负荷，绕组81、82不直接位于变压器柱80上，而是在其间存在用 于让冷却介质穿过的缝隙(强制冷却)。被布置在接近变压器柱80处的绕组是用于低压的
9绕组81 (因为所需的较小的绝缘距离)，并且被布置得相距较远的绕组82是用于高压的绕 组。在绕组布置之下的第一图表中，与绕组的空间布置相协调地关于位置χ示出所得出的 磁场强度H。根据安培定律，该磁场强度从内向外穿过第一绕组、即低压绕组81上升，在与 高压绕组82之间的气隙中达到最大值，并且然后再次线性地下降，直到最后在高压绕组82 的外侧回落到初始值。在位于其下的图表中示出磁场强度的平方，其中通过阴影线突出所 包围的面积。从数学上来看，该面积是平方磁场强度的积分，因此即电感X的度量。在该图 表的左半部中能够辨认出低压绕组81的漏电感X2，在右半部中辨认出高压绕组82的漏电 感XI，并且二者一起得出总漏电感X。图4B示出具有分开的高压绕组82、82'的中压变压 器的相应图示，所述高压绕组82、82'为了更好地冷却而具有部分绕组82与82'之间的另 一冷却缝隙。磁场强度H以及由此还有电感X的变化曲线遵循上述原理。能够认识到，在低压绕组和高压绕组81、82之间的间隙的范围中达到电抗X的最 大值。相应地，基本上由主电抗确定的主磁场电压在那里具有其最大值。还可以说，在具有 电阻R1、R2和可能R 3以及X1、X2和可能X3的典型值的常规变压器的情况下，由于所述电 阻产生与电压同相的约压降，而由于相对于电压为横向的电抗产生通常小于10%、在 大多数情况下为6%左右的电压降。总电抗由来自每个绕组的份额组成。由于低压绕组81 的份额小，因此主磁场电压近似地对应于低压侧的电压。这对变压器8、8'并且更确切而言尤其是对在绕组之间具有间隙的变压器构造方 式的变压器、例如具有强制冷却的浇注树脂变压器的热行为造成影响。由于芯与绕组之间 的用于强制冷却的气隙，这些区域以显著的程度彼此热去耦。具有柱80的变压器芯的升温 与绕组81、82、82'无关。绕组81、82、82'的升温根据流经它们的电流、即电流负荷得出， 而芯(被表示成变压器柱80)的升温基本上通过铁中的磁损耗来确定。该磁损耗根据主磁 场电压(所述主磁场电压如所述的那样近似地对应于低压侧的电压)而变化。因此，该布 置造成变压器的芯在没有负载的情况下、即在空转中就已经可能显著地升温和过热。因此，根据本发明规定为了免受过度升温的损害，通过改变无功分量、具体而言 通过将无功分量改变为使得在持续运行中避免过高的主磁场电压来引导通过变压器8、8' 的负载流。因此避免在低负载或甚至空转的情况下就已经过热的危险。优选地进一步规定 为安全起见，用专用温度传感器(参见图6)来监测芯和绕组。基于这些关联，本发明规定保护变压器免受有害的过压和过热的损害。这在图5 中的进一步简化的示例中予以阐述，其中替代于图3A中所说明的等效电路图，变压器8、 8'被电阻R和电抗X的简单串联电路代替，其中电阻R和电抗X合并成复数的视在电阻Z。 因此，容易地作为高压侧Ul加上复电阻Z上的电压降的和得出低压侧的电压U2，即U2 = U1+Z*I，其中 Z = R+j*X 并且 I = Iw+j*Ib。在此，如在发电机参考箭头体系中那样对无功电流进行假设，过激励的无功电流 为负。这意味着，每个过激励的无功电流都变为负，并且过激励的无功功率变为正。如果将 上述式子相互代入，则得出U2 = (Ul+R*Iw_X*Ib)+j*(X*Iw+R*Ib)。中央的加号前的第一项是实部，并且可以由于非常小的欧姆电阻R而被简化成 Ul-x*lb。中央的加号后的项是虚部，并且仅仅是矢量图中的角度旋转，该角度旋转仅仅小 地影响电压的幅度，并且因此可以被忽略。因此，该公式被简化成
U2 = Ul_X*Ib。从该公式中容易得知，在负的lb、即在过激励的情况下，电压U2被提高，并且在正 lb、即在欠激励的情况下，电压U2被降低。本发明已经认识到，基于这种简化，可以为变压器实现有效和成本低的调节以及 保护功能。这将在下面根据两个实施例来阐述。图6中示出本发明的第一实施例的框图。该框图示意性地示出发电机2、变频器 3、以及变压器8，其中通过变压器8，由发电机2所产生的电能被馈送到电网9中。另外还 示出控制系统4，该控制系统4充当风能发电设备的运行控制装置。该控制系统4具有多 个用于运行量和额定量一如电压Us、转速η和功率因数cos φ—的输入端41。为了调整无 功电流，设置有用于无功分量调整信号43的线路，该线路连接到变频器3、更确切地说连接 到快速的变频器调节装置33上，其中该变频器调节装置33根据无功功率分量的经过调整 的信号操控变频器3的有源开光，以便调整相应的相位角以产生所期望的无功电流(或无 功功率)。就这方面而言，该布置是公知的。另外在变压器8处还设置有电网保护开关18。 该电网保护开关18通过控制线路49被运行控制装置操控。这在目前也是公知的。根据本发明，在变压器8处、在所示实施例中为在低压侧设置有用于低压绕组81 的电压的传感器51。该电压作为输入电压被施加在额定值移位器5上。额定值移位器5包 括接在差分元件53之前的调节核55。在此，在差分元件的一个输入值处施加低压侧的测量 电压的信号，并且在另一输入值处施加最高允许的低压Umax的信号。差分信号被施加到调 节核55的输入端上。在所示的实施例中，该调节核55被构造为PI调节器。由该PI调节 器输出的控制量是如下的无功电流度量该无功电流度量被施加到限制器57上并且在那 里被限制在最高允许的最大无功电流Ibmax与最低允许的无功电流Ibmin之间的值。额定值 移位器5具有第二并行分支，该第二并行分支相应地具有差分元件54、调节核56、以及限制 器58。差分元件54形成与低压的最小值Umin之间的差。调节核56和限制器58如在第一 分支中那样被构造。分别得出的输出值作为额定值移位器5的输出矢量被施加到接入模块上。在所示 实施例中，该接入模块被实施为限制模块59，该限制模块59修改由运行控制装置4施加到 变频器调节装置33上的无功分量调整信号43。这通过如下方式进行根据通过传感器51 所测量的低压侧的电压来限制最高或最低允许的无功电流度量的值，并且以这样的方式被 限制的信号作为经过修改的无功电流度量被施加到变频器调节装置33上。因此，流经变压 器8的无功电流Q根据电压被限制为使得遵守对于安全工作区域的允许的公差带。还可以 通过如下方式有针对性地调整在相应运行点中的允许的无功电流调节器55、56的电压限 制装置借助于传感器51测量低压侧的临界电压，并且借助于差分元件53、54将该临界电压 与针对例如90%或110%的欠压和过压的固定额定值相比较。该实施例的缺点是，在变压器8的低压侧需要测量位置51，该测量位置51本身在 其它情况下不是必需的。为了节省用于该测量位置的附加成本，可以可替代地设置换算模 块6。该换算模块6基本上包括模型元件61，该建模元件61含有变压器8的节段模型。利 用该节段模型，可以借助于通常而言在变压器8的高压侧总归存在的传感器51从电流Tl 以及可能电压Ul的测量值中确定低压侧的相应参数U2*，而为此无需附加的传感器。因此在 这种情况下，额定值移位器5不是利用真实的测量值工作，而是利用所计算出的替代量(在图6中用*标出)工作。在此，根据本发明的额定值移位器5是足够鲁棒的，使得由此可以 容忍不可避免地得出的较小的偏差。因此，第一实施例的该变型方案实现根据本发明的全 部效果，而为此无需附加的传感器机构。图7中示出本发明的第二实施例。与图6中所示的第一实施例的基本区别是额定 值移位器5'的实施方式以及其它的测量位置51'和52'。此外，给相同的元件配备相同 的附图标记。如在第一实施例中那样，运行控制装置4以本身公知的方式通过被施加到快 速的转换装置34上的无功功率调整信号43来控制变频器3。额定值移位器5'的测量位置被布置在变压器8的电网侧，并且更确切而言布置 在电网输送线路19的连接区域中。设置有用于电压的测量位置51'以及用于电流的测量 位置52'。电压信号直接被施加到额定值移位器5'上。此外，该电压信号与电流信号一起 被连接到计算元件50上，该计算元件50在考虑到电压与电流之间的相位偏移的情况下从 这两个量中确定由变压器8实际上输出给电网9的无功功率Ql或无功电流I bl的度量。 该度量同样被施加到额定值移位器5'上。额定值移位器50'含有控制核。在所示实施例 中，该控制核被构造为具有双回路结构的特征曲线元件55'。首先阐述针对过压的上分支。 在特征曲线元件55 ‘的输入端分别施加有所测量的电压Ul和所测量的无功功率Ql或无功 电流I bl的信号。控制元件55'被构造为特征曲线元件，并且具有非线性的控制曲线。控 制曲线被适宜地确定为使得在针对过压的上分支中，支路在低于或者直到包括额定电压在 内的电压的情况下提供恒定的无功电流，而无功电流在电压上升超过额定电压的情况下线 性下降。相应地，下分支的控制曲线被配置为使得在高于额定电压以及还略低于额定电压 的电压的情况下，无功电流处于常数值，而在更低的电压的情况下，额定电流被提高。在此， 该曲线在过压的情况下处于电容区域中，并且在欠压的情况下处于电感区域中。该变型方 案的优点在于，不需要确定调节器参数并且随后可以进行非常快速的匹配，因为除调节以 外的控制不具有调节技术方面的延迟。图8a、b中示出这样的控制曲线的示例。应当指出， 垂直绘出的线段优选地不是精确垂直的，而是具有与斜线段中的斜率相同的符号的有限斜 率。因此，实现有利地导致控制的稳定性的单调性。此外，使用额定值移位器5的控制装置提供特别的优点，该特别的优点取得可能 独立的保护，即在控制特征曲线中还可以实施附加功能。因此，尤其是可以规定，由于控制 装置的良好动态行为还将该控制装置用于补偿动态过压或动态欠压。因此可以规定在电 网中的短时过压(HVRT = High Voltage Ride Through(高电压穿越))的情况下，借助于控 制曲线立即提供欠激励的无功电流。该无功电流与电压过高相抵消。因此，上游电网9中 的电压被降低(通过电网电抗上的压降)，而且风能发电设备1的内部的电压也被降低(具 体而言通过变压器8两端的压降)，并且在(如在此所示的)双馈系统的情况下，变频器3 的机器侧部分处的电压也附加地被降低(通过发电机2的电抗上的压降)。由此，高压电网 中的例如为130%额定电压的过压在中压电网中被降低到例如仅仅为额定电压的120%的 值，并且在风能发电设备1内在低压侧被更进一步地降低到仅仅还有约115%的值。该效果可以通过如下方式被增强短时地允许非常高、即超过额定电流的无功电 流。那样的话可以实现对过压的更大程度的降低。相应的情况适用于电网中欠压(LVRT = Low Voltage Ride Through(低电压穿越))的情况下。在这种情况下，控制曲线负责导致 电压升高的过激励的无功电流。由此，上游电网9中的电压、以及风能发电设备1内部的电
12压、以及在双馈系统情况下附加地还处于变频器3的机器侧部分处的电压都被提高。由此 在风能发电设备的方向上更进一步地减小电网中的欠压。图9中示出这样的提供HVRT以 及LVRT的控制曲线实施方式。在此，非阴影区域表示风能发电设备的工作区。连接在特征曲线元件55' ,56'之后的分别是限制器模块57‘ ,58'。该限制器 模块57' ,58'将无功电流或无功功率的所输出的额定值限制在允许的最小值以及最大 值。由上分支和下分支输出的两个值作为限制矢量被施加到限制模块59上，该限制模块59 被包括在无功功率调整信号43的信号线路中。由运行控制装置4所传送的针对无功功率 或无功电流的无功分量调整信号被以这种方式利用根据本发明的额定值移位器来校正。为了进一步改善对短时扰动的反应，可以规定在特征曲线元件中附加地对动态 特征曲线进行编程。这用特征曲线元件56'的示例来阐述。该特征曲线元件56'附加地 含有(在图7中以点线示出的)第二特征曲线，该第二特征曲线提供经过扩展的用于短时 运行的极限值。当通过控制线路47施加有相应的切换信号时，特征曲线元件56'切换到该 第二特征曲线。控制线路47连接到动态控制模块46。在所示的实施例中，该动态控制模块 46被布置在运行控制装置4处。但是该动态控制模块46不必一定如此，而是也可以被实 施成自主的模块或者额定值移位器5'处的附加的功能模块。后者提供短的信号路径的优 点，使得恰好在高度动态的情况下一如在短时电网扰动(LVRT或HRVT)的情况下一保证迅 速的响应。由动态模块46所生成的控制信号还通过控制线路47被施加到限制器58'上， 并且造成该限制器58'切换到经过扩展的极限值。图8a中以点线示出在此所得出的经过 扩展的控制曲线。通过该措施，附加地为短时运行获得直到交叉阴影线为止的区域。应当 指出，也可以在电压上限处设置针对动态运行的相应扩展(未示出)。如在前面讨论的第一实施方式中那样，也不必一定在变压器9的高压侧布置用于 电压或电流的测量传感器51' ,52'。也可以规定尤其是在低压侧总归已经存在相应的 传感器的情况下，将所述测量传感器设置在低压侧。在这种情况下，适宜地设置换算模块6， 该换算模块6包括变压器8的节段模型61'。借助于该换算模块6，可以从在低压侧测量 的值中获得高压侧的相应的值。额定值移位器5优选地直接作用于变频器3。尽管原则上可以规定直接作用于各 个开关元件(IGBT)，但是优选间接地作用于变频器调节装置33。变频器调节装置33通常具 有非常高的动态特性。因此，由额定值移位器5预先给定的对额定值的改变可以快速地被 实施，使得实现前述动态补偿能力。但是在此可能导致由换算器3的快速调节装置33所 调整的运行状态在额定值移位器5的影响下偏离由运行控制装置4预先给定的运行状态。 为了避免根据运行控制装置4的状态与变频器4的实际状态之间的持续的偏差，适宜地规 定在运行控制装置4中存在根据额定值移位器5所构造的功能。为此，运行控制装置4优 选地具有监控模块45。监控模块45与额定值移位器5完全一样地确定无功分量的改变，其 中这些改变在后面被运行控制装置4考虑。此外，运行控制装置4优选地具有负载移位模 块44。该负载移位模块44被构造为在过压或欠压的情况下作用于其余的运行控制装置4， 使得减小输出功率的有功部分以有利于无功部分。因此可以在汇流排上获得电容，以便馈 送更高的无功电流。这尤其是适于如在短时的动态过压(HVRT)和欠压(LVRT)的情况下补 偿动态改变。此外，监控模块45可以与断开模块48协作，使得该断开模块48利用可变的极限
13值控制电网保护继电器18，其中所述极限值通过输出的无功电流被确定。因此，本发明所考 虑的认识是，决定性地通过主磁场电压来确定变压器8的功率，所述主磁场电压又主要与 低侧的电压有关并且几乎与所传输的功率无关。因此，迄今为止所存在的在低负载时也可 能导致变压器8的不允许的过热的危险被取消，或必要时进行关闭。下面根据图10进一步阐述本发明的作用方式和效果。在坐标系中，在X轴上示出 标准化的无功功率，并且在Y轴上示出标准化的电压。实线和虚线分别示出变压器8的高 压侧的电网电压和变压器8的低压侧的电压。在标准化的无功功率(Q/Q·。的情况下允 许的电压偏差范围在电网侧被确定为+/_10%，其中所述标准化的无功功率可以在为电容 性以及电感性的情况下高达0.45。因此，得出允许的工作区域的矩形。现在显示出的问题 是，由于变压器8两端的压降而导致该矩形的移动。变压器8的低压侧的电压出现偏离(参 见图IOA中的细线)并且尤其是可能在因提高电压的无功功率而过压的情况下超过额定值 高达15%，并且在因降低电压的无功功率而欠压的情况下低于额定值高达30%。因此，不 再保证使风能发电设备免受过压和欠压的足够保护。当不是将变压器8的电网侧(高压侧)的情况用作前提，而是将变压器8的低压 侧的情况用作前提时(参见图IOA中的细线)，情况完全类似。允许的工作区域由矩形表 示，该矩形是低压侧的行为。能够认识到，在电网侧可能出现不允许地高或低的电压。用粗线示出可以通过本发明实现的改进。电压-无功功率图被优化为使得电网侧 的电压被限制，并且更确切而言在提高电压的无功功率的情况下在上电压值方面被限制并 且在降低电压的无功功率的情况下在下电压值方面被限制。因此，得出允许的工作区域的 边界线的近似于菱形的特征形式。在图IOA中可以认识到，在正确选择参数的情况下所实 现的是，由于变压器造成的倾斜(粗虚线)不再导致实现、更确切而言即不在过压情况下也 不在欠压情况下实现不允许地高的电压偏差值。更确切地说，电压保持在允许的范围中。因 此，本发明所实现的是，在变压器8的电网侧以及在风能发电设备侧都遵守预先规定。如从 图IOB中可以看出的那样，当将在低压侧8上的行为用作基础时，有相应的情况成立。相应 地(参见粗虚线)，在提高电压的无功功率的情况下过压被限制，并且与之类似地，在降低 电压的无功功率的情况下欠压被限制。
权利要求
1.一种风能发电设备，具有转子(12)；由转子(12)驱动的用于产生电功率的发电机 (2)，所述发电机(2)具有变频器(3)，所述电功率通过变压器(8)被输出到电网(9)中， 为变压器(8)设置电压监测；以及控制系统(4)，所述控制系统(4)包括变频器控制装置 (34)，其中控制系统(34)将针对无功分量的调整信号施加到变频器(34)上，其特征在于，在变压器⑶处布置电压测量装置(51)，所述电压测量装置(51)的电压信号被施加到 与状态有关的额定值移位器(5)的输入端上，所述额定值移位器(5)的输出信号被施加到 用于作用到变频器(3)的无功分量的限制模块(59)上。
2.根据权利要求1所述的风能发电设备，其特征在于，所述与状态有关的额定值移位 器(5)被构造为使得将无功分量在过压的情况下向欠激励状态移动并且在欠压的情况下 向过激励状态移动。
3.根据权利要求1或2所述的风能发电设备，其特征在于，额定值移位器(5)与负载移 位模块(44)协作，所述负载移位模块(44)在欠压或过压的情况下作用于控制系统(4)，使 得减小所输出的功率的有功部分以有利于无功部分。
4.根据前述权利要求之一所述的风能发电设备，其特征在于，为变压器(8)的芯设置 有温度传感器(85)，所述温度传感器(85)的信号作为另一状态信号被施加到额定值移位 器(55)的输入端上。
5.根据前述权利要求之一所述的风能发电设备，其特征在于，控制系统(4)具有监控 模块(45)，所述监控模块(45)包括相同类型的第二额定值移位器。
6.根据前述权利要求之一所述的风能发电设备，其特征在于，控制系统(4)包括具有 可变的极限值的断开模块(48)，所述断开模块(48)作用于变压器(8)处的电网保护继电器 (18)，并且所述断开模块(48)的极限值通过输出的无功分量被共同确定。
7.根据前述权利要求之一所述的风能发电设备，其特征在于，额定值移位器(5)与所 述变压器的节段模型(61)协作，在所述节段模型(61)处施加变压器(8)的一侧的电压以 用于确定变压器(8)的另一侧的电压。
8.根据权利要求7所述的风能发电设备，其特征在于，所述节段模型(61)被构造为相 应地确定无功分量。
9.根据前述权利要求之一所述的风能发电设备，其特征在于，额定值移位器(5)包括 PI调节器(55)。
10.根据权利要求8或9所述的风能发电设备，其特征在于，PI调节器(55)从与极限 值的电压差中确定对于无功分量的校正值。
11.根据权利要求1至8之一所述的风能发电设备，其特征在于，额定值移位器(5') 包括控制元件(55')。
12.根据权利要求11所述的风能发电设备，其特征在于，控制元件(55')从所施加的 电压和无功功率的信号中确定无功功率校正值。
13.根据权利要求11或12所述的风能发电设备，其特征在于，控制元件(55')是具 有单调下降的特征曲线的二维特征曲线元件。
14.根据权利要求11或12所述的风能发电设备，其特征在于，控制元件(55')具有 额定值矩阵。
15.根据权利要求9至14之一所述的风能发电设备，其特征在于，设置具有用于过压的 回路和用于欠压的回路的双回路结构。
16.根据权利要求9至15之一所述的风能发电设备，其特征在于，设置切换装置(46)， 所述切换装置(46)允许具有经过扩展的极限值的短时运行。
17.根据前述权利要求之一所述的风能发电设备，其特征在于，额定值移位器(5)直接 作用于变频器(3)。
18.一种用于运行风能发电设备的方法，所述风能发电设备具有转子(12)；由转子 (12)驱动的用于产生电功率的发电机(2)，所述发电机⑵具有变频器(3)，所述电功率 通过变压器(8)被输出到电网(9)中，其中在所述变压器处的电压被监测；以及控制系统 (4)，所述控制系统(4)包括变频器控制装置(33)，该方法具有调整针对输出功率的无功部分的调整信号，其特征在于，测量变压器(8)处的电压；借助于与状态有关的额定值移位器(5)确定对于无功功率 度量的校正信号；以及将该经过移动的信号用于限制所述无功分量的调整信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，根据权利要求1至17之一使用额定值 移位器(5)。
全文摘要
本发明涉及一种风能发电设备，具有转子(12)；由转子(12)驱动的用于产生电功率的发电机(2)，其具有变频器(3)，所述电功率通过变压器(8)被输出到电网(9)中，为变压器(8)设置电压监测；以及控制系统(4)，其包括变频器控制装置(34)，其中控制系统(34)将对于无功分量的调整信号施加到变频器(34)上。根据本发明规定在变压器(8)处布置电压测量设备(51)，所述电压测量设备(51)的电压信号被施加到与状态有关的额定值移位器(5)的输入端上，所述额定值移位器(5)的输出信号被施加到用于作用于变频器(3)的无功分量的限制模块(59)上。因此，所述无功分量可以在两个方向(电感/电容)上与是否存在过压或欠压有关地被匹配。因此，本发明仅仅利用小的附加成本实现组合的保护、即对电网、变压器、以及风能发电设备的保护。此外，本发明使得能够更佳地利用变压器(8)。因此，不再需要如迄今为止由于超过电压的公差极限而进行的过大的尺寸确定。因此，可以使用更小和更有效的变压器(8)。同时，对电网(9)、以及风能发电设备(1)的保护都得到改善。
文档编号H02J3/18GK102007662SQ200980113157
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月14日 优先权日2008年4月14日
发明者H-H·勒塔斯 申请人:再生动力系统股份公司