专利名称：以可变转速驱动的输出振荡频率恒定的发电装置，尤其是风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能量生产装置，尤其是风力发电装置，包括与转子连接的驱动轴、 发电机，并包括具有三个驱动或从动装置的差动传动装置(Differenzialgetriebe)，其中第一驱动装置与驱动轴连接，从动装置和发电机连接并且第二驱动装置和电气差动装置连接，并且其中差动装置(Differenzial-Antrieb)通过变频器与网络连接。
背景技术：
风力发电站作为发电设备意义越发重大，用风发电的百分比也因此逐渐提高。而这一方面催生了涉及电流质量的新标准(尤其是考虑到在网络中出现电压扰动的情况下的无功电流控制和风力发电站的状态)，另一方面也引发了更大风力发电装置的潮流。同时，发展安装功率至少5MW的近海风力发电装置的趋势也清晰可辨。鉴于近海区域内风力发电装置的基础建设和维护的费用高昂，不论装置的效率还是生产成本，以及与此有关的中等电压同步发电机的使用都意义重大。W02004/109157 Al示出了一种具有多个并列差动级和多个可切换耦合器的复杂的静压“多路径”设计，利用该耦合器可以在各个路径之间切换。采用所示的技术方案，可以降低静压的功率以及损耗。然而其主要的缺点在于整个机组的结构复杂。此外，馈入网络的电能仅来自于差动系统驱动的同步发电机。EP 1283359 Al示出了具有电气差动装置的一级和多级的差动传动装置，其通过变频器驱动与网络耦合的同步发电机机械连接的电机。在该例中，馈入网络的电能同样仅来自于差动系统驱动的同步发电机。WO 2006/010190 Al示出了包括具有变频器的差动装置的风力发电装置的动力系统，其以并列于同步电动机的方式与网络连接。该技术方案虽然允许将中等电压同步发电机直接连接到网络，但其公知实施方式存在缺陷，即，所需费用巨大，这样所使用的同步发电机才能满足关于允许的最大的高次谐波的标准。
发明内容
本发明的任务在于减少高次谐波。该任务根据本发明以如下方式解决，即，变频器是可控的，以对能量生产装置一尤其是发电机一的谐波进行有源滤波。这样，在设计发电机时，不必或只须在较小程度内考虑减小谐波。其他从属权利要求的内容为本发明的优选实施方式。
下面结合附图详细描述本发明的优选实施方式。
图1示出了根据现有技术的5丽风力发电装置的功率曲线、转子转速以及由此得出的参数，如高速性系数Gchnelllaufzahl)和功率系数，图2示出了根据现有技术的具有电气差动装置的差动传动装置的原理，图3示例性地示出了根据现有技术的电气差动装置关于风速的转速和功率特性，图4示出了传统风场的网络连接，图5示出了包括具有根据图2的差动系统的风力发电装置的风场的网络连接，图6示出了在无功电流额定值跳跃时设置的无功电流随时间变化的曲线，图7示出了风力发电装置功率跳跃时设置的无功电流，图8示出了组合无功电流控制的可能的控制简图，图9示出了在利用变频器进行无功电流补偿的风力发电装置出现功率跳跃时设置的无功电流，图10示出了在LVRT中差动装置的功率需求的例子，图11示出了具有中间电路存储器的电气差动装置，图12示出了中等电压同步发电机典型的电气高次谐波，图13示出了具有变频器的有源高次谐波滤波可能的原理，图14示出了包括具有变频器的有源高次谐波滤波的中等电压同步发电机的电气高次谐波。
具体实施例方式风力发电装置转子的功率通过如下公式计算转子功率=转子面积女功率系数*风速3 *空气密度/2其中功率系数依赖于风力发电装置转子的高速性系数(=叶片端速与风速的比例)。风力发电装置的转子是基于开发过程中待确定的高速性系数(其值大多数情况下在 7到9之间)而为最佳的功率系数设计的。基于这个原因，在运行风力发电装置时，在部分负载范围设置相应小的转速，以保证最佳的空气动力学效率。图1示出了对于给定8. 0 8. 5的最佳高速性系数或转子的给定转速范围，转子功率、转子转速、高速性系数和功率系数的特征。从图中可以看出，只要高速性系数偏离其 8. 0 8. 5的最佳值，功率系数下降，并且根据上述公式转子功率根据转子的空气动力学特征也因此降低。图2示出了由差动级3或11到13、匹配传动级4和电气差动装置6组成的用于风力发电装置的差动系统的可能原理。位于主传动机构2的驱动轴9之上的风力发电装置的转子1驱动主传动机构2。主传动机构2是具有两个行星级(Planetenstufen)和一个圆柱齿轮级(Stirnradstufe)的三级传动装置。差动级3位于主传动机构2和发电机8之间，由主传动机构2通过差动级3的行星轮架12驱动。发电机8—优选是他励中等电压同步发电机一与差动级3的齿环13连接并由其驱动。差动级3的小齿轮11与差动装置6连接。差动装置6的转速被控制，以便一方面在转子1转速变化时保证发电机8的转速恒定， 另一方面控制风力发电装置整个动力系统的扭矩。为了提高差动装置6的输入转速，在所示情况下，选择两级差动传动装置，其在差动级3和差动装置6之间以圆柱齿轮级的形式预设匹配传动级4。这样差动级3和匹配传动级4构成两级差动传动装置。差动装置是三相电机，其通过变频器7和变压器5以与发电机8并列的方式与网络10连接。
差动传动装置的转速公式为发电机转子+y女转速差动装置其中，发电机转速是恒定的，并且因子x、y可以从所选择的主传动机构和差动传动装置的变速器速比推导出。转子的扭矩通过当前的风和转子的空气动力学效率来确定。转子轴处的扭矩和差动装置处的扭矩之比是恒定的，由此可以通过差动装置控制动力系统中的扭矩。差动装置的扭矩公式为扭矩差动装置=扭矩转子* y/x，其中尺寸因子y/x是差动装置必要设计扭矩的一个标准。差动装置的功率基本上是和转子转速与其基础转速的百分比偏差乘上转子功率所得的乘积成比例的，其中基础转速为风力发电装置转子的的某一转速，在该转速下差动装置保持静止，也就是说转速为零。相应地，较大的转速范围原则上需要相应大尺寸的差动
直ο在图3中示例性地示出了根据现有技术的对于差动级的转速或功率特征。发电机的转速通过连接到频率固定的电网而恒定。为了可以相应地充分利用差动装置，在小的基础转速范围内以电动机的形式运行该装置而在大的基础转速范围内以发电机的形式运行该装置。这就导致了在电动机形式的范围内功率被馈入差动级而在发动机形式的范围内从差动级中获取功率。在电气差动装置的情况下，该功率优选从网络中获取或者馈入网络。发电机功率和差动装置功率的和得到具有电气差动装置的风力发电装置输入网络的总功率。图4示出了连接大量风力发电装置的风场网络一般是如何建造的。为简单起见， 这里只显示了三个风力发电装置，根据风场的大小还可能在一个风场网络中连接例如多达 100或者更多的风力发电装置。在低压实施例中，额定电压例如为690VAC (大多数装配所谓的两侧供电的三相电机或具有全功率变流器(Vollumrichter)的三相电机)的更多的风力发电装置通过设备变压器以例如20kV的电压水平向母线馈电。在网络馈入点之前连接风场变压器，该网络馈入点通常是进入供电公司网络的传输位置，而该风场变压器将风场中等电压提升到例如IlOkV的网络电压。考虑到无功电流因子和电压常数，对于该网络馈入点存在需要遵守的通常由供电公司定义的准则。为了能够遵守关于电流质量的不断变严格的标准，在中等电压侧以增多的方式实现动态无功电流补偿装置，其通过向网络中馈入无功电流或者从网络中提取无功电流而将网络馈入点中的电压保持在规定的限度内。图5示出了风场网络的替代方案，其连接了大量具有差动系统的风力发电装置。 为简便起见，这里每组也仅显示三个风力发电装置。在中等电压实施例中，额定电压例如为IOkV(装配有所谓的他励同步发电机并且并联的电气差动装置-例如图2中所示)的更多的风力发电装置馈入母线，并(在风场非常大的情况下)由该母线通过组变压器以例如 30kV的电压水平向另一母线馈电。这里，在网络馈入点之前也连接风场变压器，其将风场中等电压提高到例如IlOkV的网络电压。在这个例子中，也实现了动态无功电流补偿装置，其负有将输送到网络的电压保持在规定的限度内的任务。特别是由于风暴或网络故障引起的功率跳跃是高度动态的过程，根据现有技术是不能由风力发电装置独立补偿的。这里不仅指对各个风力发电装置的持续的电压控制。此外，包括导线和变压器的后置连接的风场网络，只要前述动态的无功电流补偿装置没有提供无功电流部分，就需要待由风力发电装置提供无功电流部分，从而可以补偿馈入点中由于风力发电装置的功率波动形成的电压波动。待由风力发电装置提供的该无功电流部分还依赖于风场网络的阻抗和要传输到网络的电功率，并且可以从这些参数中数学地计算出来。这就意味着，在优选的实时方式中，对各个风力发电装置的控制为风场网络的功率波动引起的补偿计算例如由风力发电装置的功率波动要求的无功电流部分，并且可以作为额外的无功电流需求传送到风力发电装置的无功电流控制。作为替代的，中央控制单元可以计算这些风场网络所需的无功电流需求，并且根据定义的分配密码作为需求(无功电流额定值)传输到各个风力发电装置。该中央控制单元优选地位于网络馈入点附近，并且由所测量的风场功率和/或所测量的网络电压计算出恒定电压所需要的无功电流需求。需要补充的是，大部分再生能量生产装置如风力发电装置与例如热电厂相比具有如下缺点，即，由于随机积累的驱动能量(阵风)，在短的时间常数内会出现大的功率跳跃。 因此，对于再生能量生产装置进行动态无功电流补偿的课题具有特别重大的意义。另一种用于改善风场网络电压控制的动力学的可能性在于，测量风速可以在优选单独竖立的测风杆处进行，或者作为替代的，测风还可以在一个或多个风力发电装置处进行。因为风力发电装置输出的功率根据随机出现的风速带有或多或少的大量延时而发生变化，可以根据所测量的风速的改变推导出所期待的风力发电装置的功率输出。由此随后可以提前为网络馈入点处的恒定电压计算无功电流需求，以便通过所给出的测量和控制时间常数尽可能好地补偿延时。图6示出了待传输的无功电流的额定值跳跃时，他励同步发电机的典型表现。在时刻1.0处，无功电流需求从OA变为40A，其导致同步发电机中的激励电压立刻提高。大约持续6秒钟无功电流稳定在了所要求的40A。发电机电压根据设置的无功电流而变化。图7示出了风力发电装置在时刻1. 0处从60%的额定功率跳到100%的额定功率的功率跳跃的近似图片。激励器需要大约5秒的时间无功电流才再次稳定在OA的原始的额定值附近。此处，发电机电压也随着设置的无功电流摆动。在这种情况下，利用最佳调校的激励电压的控制还可能有所改善，然而图6和图7 所示的特性不足以满足关于电流质量的不断提高的要求。由于这个原因，需要改善动态无功电流补偿。相比于静压差动装置或液压差动装置，根据图2的电气差动装置的主要特性在于直接的能流从差动装置6经过变频器7流入网络。该变频器优选为所谓的IGBT变频器，其中输入网络或者从网络中提取的无功电流可以任意地设置。为此，可以借助于可自由编程的控制实现不同的控制方式或者在可能的情况下，即便在运行过程中将这些方法适配到风力发电装置的不同环境和/或运行条件中。使用高度动态的变频器，其可以在极短时间内向网络中馈入或者从网络中提取大量无功电流(直至例如变频器的额定电流，或者在变频器降低的时钟频率时甚至超出)。由此可以补偿他励同步发电机的一个主要缺陷。图8示出了满足该要求的控制方法。原则上为风场规定无功电流额定值，其例如由外部控制规定作为常数或作为变量。该无功电流额定值可以例如由上级的风场控制单元根据固定或可变的分配密码为各个风力发电装置规定为所谓的“无功电流-WKA”作为固定参数或者变量。这里优选但不必须地为所有风力发电装置定义相同的值。对于必要地补偿后续风场网络所需要的无功电流部分“用于补偿风场网络的无功电流”被添加到该“无功电流-WKA”上。由这两个值的和得到“无功电流额定值”。该“无功电流额定值”被传送到“PI 控制器无功电流额定值发电机”。图8示出了 PI控制器，这里也可以替换为其他的控制器类型。“PI控制器无功电流额定值发电机”通常以相对长的时间常数工作，但是由于发电机的大功率容量可以持续提供大量无功电流，其中时间常数即周期时间，在该周期时间内，无功电流值(在这种情况下)可能发生改变。比较器比较“实际无功电流”和“无功电流额定值”。相对功率较弱的变频器7(图2)在短时间内补充提供根据“无功电流额定值”缺少的无功功率，或者在无功电流过量时从网络中获取该无功功率。“PI控制器无功电流额定值变流器”计算待由变频器7提供的无功电流。两个控制电路都优选具有所谓的“限制器”，为发电机和变频器限制可能的无功电流。图9示出了该控制方法的效果。“无功电流变流器”叠加到由图7可知的“无功电流发电机”的时间变化曲线上。这里假设变频器在50ms内可以将电流从0调高到额定电流。通过这个短的时间常数，变频器可以相对快速地平衡“无功电流发电机”的不必要的偏差，由此“无功电流额定值”的最大偏差不再是之前的17A而仅为3A，其中时间常数即周期时间，在该周期时间内，无功电流值(在这种情况下)可能发生改变。相应的，这里只还可以识别出一个“WKA电压”的不重要的波动。通过变频器可以如下方式更精确或者至少更快速地补偿“无功电流发电机”，即只要基于风力发电装置控制的功率/扭矩/跳跃命令推导出改变的无功电流需求，并且在无功电流控制时基于网络阻抗和待传输的功率借助于数学模型相应地规定该无功电流需求， 则通过变频器缩短用于无功电流补偿的时间。除了上述借助电气差动装置的关于无功电流控制的措施之外，还有一个重要的为了一般要求的高电流质量而可以考虑的方面。这就是，即使在网络电压故障的情况下，风力发电装置也应该保持在网络上。这个特性一般被称为低电压穿越 (Low-Vo 1 tage-Ride-Through, LVRT)或高电压穿越(High-Vo 1 tage-Ride-Through, HVRT)， 其在不同的准则(例如由E. ON网络制定的)中被精确的定义。即便在LVRT事件中，在网络馈入点电压骤降到最不利的0V，或者是过电压的HVRT事件中，风力发电装置也如前所述保留在网络上，这就意味着，发电机8(图2)的转速必须在一定范围内保持恒定以使得在电压返回时(即电压返回到额定值)发电机8与网络保持同步。此外，在HVRT事件中，只要例如所谓的过电压放电器未提供足够的防护，则变频器在一定情况下可以取自网络，以便防护难以承受的过电压。图10显示了在可能的LVRT事件中，一个5丽的风力发电装置的差动装置的功率变化曲线，在该事件中，网络电压在时刻O经500ms降为零。参考差动装置6的实施方式图 2，在LVRT事件一开始提供大概300kW的功率之后，在最短的时间内该功率降到OkW。接着差动装置6接收了直到大概300kW的功率。由于在该时刻根本没有或者至少没有足够的网络供给，差动装置6不能维持足够的转速/力矩控制，并且风力发电装置的转子1可能导致发电机8倾覆(kippen)，这样发电机8不再能保持要求的转速，以便在电压返回时与网络同步。所示例子只是显示了差动装置6功率随时间变化的一种可能性。根据随机的风力表现和对于风力发电装置的转子1或差动装置6在LVRT事件开始时刻的当前转速/功率，在一开始差动装置6必须获得功率也同样是理所当然的。
为了避免发电机8倾覆，图11示出了具有下列配置的电气差动装置。该差动装置 14连接到变频器15，该变频器由电动机侧的IGBT桥16和网络侧IGBT桥17以及支持电容的直流中间电路18组成。变频器15的电压借助于变压器19与发电机电压匹配。中间电路存储器20与直流中间电路18连接，此外该中间电路存储器优选具有电容器21。作为替代的，还例如可以使用蓄电池。电容器21优选为所谓的超级电容器，其在风力发电装置中作为用于转子叶片调节系统的蓄能器已被广泛使用。待使用的电容器21所需的容量由在网络故障期间驱动差动装置所需的能量之和求得。这里需要考虑，中间电路存储器20必须既提供能量又存储能量，其中哪个要求先出现是未知的。这就是说，中间电路存储器20优选地部分被加载，在这种状态下就肯定有足够的涉及最大必须的供给空间的容量和最大必需的存储空间。由根据图10的例子可以推导出，差动装置的能量产出一开始大概为10kJ，随后的能量需求为大约50kJ。随后，产出水平/需求水平逐渐平坦，或者LVRT事件最后在总共 500ms后结束。这就是说，设计为IOOkJ的中间电路存储器20应该预加载大概50kJ。出于优化的目的，中间电路存储器20的预加载可以根据风力发电装置的运行状态进行。因为当风力发电装置转速在基础转速以下时差动装置以电动机的形式运行，所以在该运行区间内首先从中间电路存储器20中接收能量。这就是说，中间电路存储器20必须根据最大的待传输能量需求而被加载。相反地，在风力发电装置转速高于基础转速时，差动装置以发电机的形式运行，这就意味着，差动装置首先为中间电路加载，以便之后根据图 10转换为接收。这种情况下，预加载可以较少，由此中间电路存储器20的最大必须存储空间也降低。这就是说，为了能够如图10实施例中从中间电路存储器提供足够的能量，必须预加载大概40kJ。对于总需求仍然缺少的IOkJ将在LVRT事件开始时由差动装置加载。由于最小必需的存储器能量原则上与风力发电装置的额定功率关联，因此对于优化过的变量，对于中间电路存储器20最少需要的存储器能量定义为大约8kJ/MWmM_ 置-额定_)，或者包括大约12kJ/MW(MA发电装翻定_)的足够的储备。相反地，在一开始描述的设计变量中要求至少20kJ/MW(风力发电装置-额定功率)。此外应考虑，在很多情况下LVRT事件最长持续150ms，所要求的存储器能量下降为上述最少需要的大概ma/MWrntiwa-g^；； )的存储器能量的1/3，也就是降为大概
2· 5kJ/l\W(风力发电装置-额定功率)。如果中间电路存储器装配有电容器，则可以根据下述方程设计能量[J]=电容量[F] *电压[V] 2/2此外，在变频器的直流中间电路中的电压典型地在电压上限SpO = 1150V和电压下限SpU = 900V之间摇摆。这就是说，在这种情况下，最大可用存储器能量由下式得出可用存储器能量=电容量* (SpO2-SpU2)/2。 在装置的正常运行期间一也就是说，既没发生LVRT事件也没发生HVRT事件，中间电路存储器20分别根据装置的运行状态加载其可用存储器能量的20%到80%，由于这种加载状态，对于所有可以考虑到的运行状态而言都有足够的容量。需要补充的是，在专业的设计中，支持电容器的直流中间电路18的总体更小的电容器包可以被中间电路存储器20取代。还可以使用蓄能器作为中间电路存储器20，其大小被设计为使得其不仅可以承担之前提到的中间电路存储器20的功能还可以同时承担蓄能器为其他技术装置一如风力发电装置，例如转子叶片调节系统一供电的功能。变频器15通过必须的控制用于适当地加载中间电路存储器20。出于该目的，优选测量中间电路存储器20的电压。作为替代的，中间电路存储器20还可以借助于单独的加载装置而被加载。为了最佳的电流质量，还要处理他励同步发电机的高次谐波的问题。图12示出了他励同步电机典型的高次谐波频谱。这里3、5、7、13次(级)谐波尤其突出。相比具有例如全功率变流器的风力发电装置，这些谐波可以相对高度地且通过适当的方式降低。降低该谐波值的一种可能性是借助于所谓的转子的倾斜和/或转子和定子的节距缩短，相应机械地设计同步电动机。然而这种方法使得生产费用提高，或者由于缺失技术前提而限制了可能的供货商的可用性。因此，根据本发明现有的变频器7被用于同步发电机谐波的有源滤波。图13示出了已知的方法，所谓的频域方法，包括以下级坐标系统的变换、滤波器、控制器、限制器、去耦装置/预旋和反变换。由此可以通过变频器产生谐波电流，其与所测量的电流反相，并因此有选择地补偿网络电流中谐波。除了发电机的谐波外，在网络中还可能存在其他的谐波，其例如出自变频器自身或者以其他方式存在并且其同样降低电流质量。通过测量网络电压采集全部的高次谐波并且可在有源滤波中予以考虑。图14示出了经有源滤波掉3、5、7、13次谐波的高次谐波频谱的实质改善。改善的质量依赖于变频器的所谓时钟频率，其中利用较高的时钟频率得到较好的结果。上述实施例可以同样实现于技术类似的应用中。这主要涉及充分利用水流和洋流的水电站。如用于风力发电装置的同样的基础条件适用于该应用，即可变的流速。驱动轴在这种情况下被由流介质一例如水一驱动的装置直接或间接地驱动。随后，驱动轴直接或间接地驱动差动传动装置。
权利要求
1.一种能量生产装置，尤其是风力发电装置，包括与转子(1)连接的驱动轴、发电机 (8)，并包括具有三个驱动或从动装置的差动传动装置(11到13)，其中第一驱动装置与所述驱动轴连接，从动装置和发电机(8)连接并且第二驱动装置和电气的差动装置(6，14)连接，并且所述差动装置(6，14)通过变频器(7,1 与网络(10)连接，其特征在于，变频器 (7,15)是可控的，以对能量生产装置的谐波、尤其是发电机(8)的谐波进行有源滤波。
2.如权利要求1所述的能量生产装置，其特征在于，利用所述变频器(7,1 能够执行频域方法。
3.如权利要求2所述的能量生产装置，其特征在于，所述频域方法包括以下级坐标系统的变换、滤波器、控制器、限制器、去耦装置/预旋、和坐标系统的反变换。
4.如权利要求1至3之一所述的能量生产装置，其特征在于，变频器(7,1 是可控制的，以对3、5、7、13次谐波中的至少一个有源滤波。
5.如权利要求1至4之一所述的能量生产装置，其特征在于，所述变频器(7，15)的无功电流是可控的。
6.如权利要求1至5之一所述的能量生产装置，其特征在于，所述变频器(7，15)在直流中间电路(18)中具有电气的蓄能器00)。
7.如权利要求6所述的能量生产装置，其特征在于，所述蓄能器00)与所述直流中间电路(18)并联。
8.如权利要求6或7所述的能量生产装置，其特征在于，所述蓄能器OO)具有至少一个电容器01)。
9.如权利要求6至8之一所述的能量生产装置，其特征在于，所述蓄能器OO)具有至少一个蓄电池。
10.如权利要求1至9之一所述的能量生产装置，其特征在于，所述蓄能器OO)用于为所述能量生产装置的其他技术装置供电，所述其他技术装置例如是转子叶片调节系统。
全文摘要
一种能量生产装置，尤其是风力发电装置，包括与转子(1)连接的驱动轴、发电机(8)并包括具有三个驱动装置及从动装置的差动传动装置(11到13)，其中第一驱动装置与驱动轴连接，从动装置和发电机(8)连接并且第二驱动装置和电气差动装置(6，14)连接。差动装置(6，14)通过变频器(7，15)与网络(10)连接，其中直流中间电路(18)中的变频器(7，15)具有电气的蓄能器(20)，变频器(7，15)是可控的以对能量生产装置的谐波、尤其是发电机(8)的谐波进行有源滤波。
文档编号H02J3/01GK102405573SQ201080017363
公开日2012年4月4日 申请日期2010年4月20日 优先权日2009年4月20日
发明者格拉尔德·黑亨贝格尔 申请人:格拉尔德·黑亨贝格尔