CN101606298B - 相位角可控的变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于把电功率输入到电网(9)中的、尤其用于风能设备的变换器(4)，其中该风能设备具有通过风转子驱动的发电机(3)，其中该变换器(4)具有被输出到该电网的电功率相位角的一个控制输入端(44)。本发明设置有相位调节装置(6)，该相位调节装置具有电网错误检测器(63)、相位角检测器(61)和信号处理模块(67)。在识别到电网错误时利用所检测的相位错误把用于给定角度的信号提供给该变换器的控制输入端(44)。从而实现了在电网干扰结束时所出现的相位变化不会导致在有功功率输出中所不期望的跳变。

Description

相位角可控的变换器

本发明涉及一种用于向电网馈送电功率的变换器(Umrichter)，该变换器尤其用于具有通过风转子驱动的发电机的风能设备，其中该变换器具有对于输出至电网的电功率的相位角的控制输入端。

为了把电功率输入到电网中，正是在电站分散馈电的情况下越来越多地使用变换器。如同在现代风能设备中所规定的，其尤其适合于具有转数可变的发电机的应用。在此，为了馈送由发电机所产生的、频率变化的电流，需要变换到频率固定的电网(通常为50Hz)的频率。在电网有干扰的情况下可能导致电压相位的跳变。已知的是，相位跳变对变换器可能具有诸如电压干扰的负面影响。在常规的变换器中在相位跳变时从而可能导致过流，由此该变换器的保护装置比如它的撬棒电路(Crowbar circuit)被激活。保护装置的激活改变了该变换器的以及其上所连接的发电机的制动力矩，由此出现对机械部分的不期望的反作用。可能在发电机上以及它的驱动轴上产生旋转力矩的波动，这可能导致磨损增大，或甚至导致故障。

已经尝试通过特殊的附加电路来避免激活该变换器的保护装置。因此可以在该变换器的一个中间回路中设置断路器，该断路器根据相位跳变在该中间回路中限制所出现的过压或者过流。但是该附加回路增加了制造花费，并从而使变换器变得昂贵。此外在其性能上也有限制，使得在大功率下总是不足以承受。此外，由于对该风能设备的机械部件的反作用而使保护装置频繁地接通还可能缩短其寿命。

本发明所基于的任务是，提供一种变换器或者具有这种变换器的风能设备以及用于运行的一种方法，由此在电网中相位跳变的情况下实现了较好的特性。

本发明的解决方案在独立权利要求的特征部分中示出。有利的改进是从属权利要求的主题。

在用于把电功率馈入到电网中的一种变换器、尤其是具有通过风转子驱动的发电机的风能设备中，其中该变换器具有输出到该电网的电功率相位角的控制输入端，根据本发明设置了相位调节装置，该相位调节装置具有电网错误检测器、相位角检测器和额定角发生器，其中后者具有信号处理模块，该信号处理模块被构造用于在电网出现错误时由该相位角检测器的相位误差信号为该变换器的给定角度确定一个信号，该信号通过控制线被施加给变换器的控制输入端。

本发明的核心想法是，检测导致电网干扰的相位的变化，并作为该变换器相位角控制的基础。干扰的出现借助该电网错误检测器来确定，以在识别到有干扰的情况下借助该相位角检测器由在出现干扰之前和之后电网中的相位来确定相位误差信号。借助该信号处理模块根据该相位差来确定一个角度，该角度优选地如此来计算，使得在电网干扰结束以及相位恢复时对有功功率馈电产生小的或者尽可能微小的改变。该角度作为给定角度被施加给该变换器的控制输入端。

通常在出现电网干扰时相位的改变仅仅延迟地被识别，确切地说，如果其是跳变式地进行，那么尤其是这样的。如果改变的相位没有被立即加以考虑，那么该变换器就以错误的相位向电网馈电。但是在变换器上所设置的有功电流调节器和无功电流调节器仅仅能够以正确的相位来正确地运行。如果相位不正确，那么仅有比设置少的有功电流能够馈入到电网中，其中甚至能够导致有功电流被寄生地从电网吸收而不是输入。由于馈入太小(或者由于寄生关系)，在该变换器的中间回路中的能量水平上升，由此导致在该中间回路中的过压以及过流。这导致该保护装置的激活，比如撬棒电路的放电，其具有开头所述的对驱动轴和发电机的负面影响。

现在本发明所公开的是，通过有目的地给定相位角能够降低在干扰结束相位返回时对该变换器及其调节的有害影响，尤其是对其有功电流调节的影响。该给定角度可以如此来选择，使得在返回(Ruecksprung)经过一确定角度大小时有功功率输出保持不变。如果比如由于电网干扰的原因而产生了+25度相位跳变，那么该变换器的给定角度就调节到+12.5度的一个值；由此实现了，在电网干扰结束时在再次25度的相位返回的情况下，该变换器的相位角关于电网而具有-12.5度，有功功率从而保持恒定。为此该处理模块有目的地具有一个提前模块，该提前模块被构造用于，由该相位误差信号来确定一个提前角。

该提前模块符合目的地被构造为除法器(Teiler)，更确切地说优选地具有为2的除数(Divisor)。这所基于的知识是，通常在电网干扰结束时应考虑以下角度大小的相位返回，该角度大小等于在干扰开始时所出现的相位跳变的大小。那么把该给定角度选择为开始出现的相位跳变的一半大，这是符合目的的。这可以利用一个除法器除以2以简单而符合目的的方式来实现。

优选地，另外还设置了特性曲线元件，该特性曲线元件把该提前角限定为可调节的界限值。从而能够在可能的相位角方面来考虑对风能设备及其变换器的限制。尤其已经证实的是，作为界限值规定了以下的角度，该角度对应于变换器的视在功率的最大值。另外还可以规定，该特性曲线元件设置有用于存储允许的有功和无功功率范围的存储器，从该存储器中根据相应的功率可以动态地检索界限值。从而能够把相应的界限值与该变换器及其风能设备的当前功率状况相匹配。

该相位角检测器可以设置有波形发生器(Musterwellengenerator)，该波形发生器与电网频率相同步。从而能够在电网频率有干扰时也保持清晰的相位曲线，根据该相位曲线可以更精确地确定相位跳变。从而提高了相位误差信号的确定的精确度和速度。该波形发生器符合目的地作为一种PLL电路来实施。其在电网频率准平稳变化的情况下也实现了清晰的检测。

根据一个尤其有利的实施方案，其中该方案在必要时提供独立的保护，该电网错误检测器具有用于对电网电压的恢复进行识别的装置和切换装置，该切换装置连接到该变换器的控制输入端上，并被构造用于在电网电压恢复时把一个参考频率信号施加给控制输入端。从而能够在电网电压恢复时在该变换器上再次调节为如同在干扰出现之前所产生的相位。从而在任何情况下，其中电网相位在干扰结束时在此采用在干扰之前的原始值，在电压恢复时都立即提供正确的相位。如果相位没有再次精确地返回，而是保持一个微小的相位差，那么这也是适合的。然后该变换器可以没有进一步延迟地以最大有功功率向电网馈电。

大多情况是该参考频率信号与原始的电网电压相同步。然而也可以规定该参考频率信号与之有偏差。这关于相位是尤其适合的。从而该参考频率信号的相位具有对电感的偏移。因为在电压恢复构建时总是存在电感性相位角，所以简化了在电压恢复时变换器的接通。

优选地，该变换器具有保护单元，该保护单元被构造用于确定在电网电压恢复之前和之后在电网与电网侧逆变器(Wechselrichter)之间的相位角差，并在相位角差增加的情况下断开电网侧逆变器。从而实现了在电网电压恢复时相位差增大的情况下能够断开该变换器的电网侧逆变器。从而实现了即使在不利的干扰过程中对该变换器的部件的最大保护。

优选地作为参考频率信号的发生器设置了具有自由运行装置(Freilaufeinrichtung)的PLL电路，该电路接通到电网频率，并在电网错误时借助该自由运行装置而被去耦。从而可以以简单的方式由电网频率来生成参考频率信号，并且在电网错误期间也保持该参考频率。

本发明还涉及一种风能设备，其具有如前所述的一种变换器，以把电功率馈入到电网中。另外本发明还涉及用于运行该变换器的一种方法。更详细的解释参见上面的实施方案。

本发明下面参考附图来描述，其中示出了有利的实施例。其中：

图1示出了连接到电网的一种风能设备的示意性简图；

图2示出了图1所示的风能设备的按照第一实施例的一种变换器的电路图；

图3示出了一个第二实施例的一种变型方案的部分电路图；

图4示出了在电网干扰期间的相位图的示意图；

图5示出了在图4的电网干扰期间具有角度错误的图示；以及

图6示出了具有有功和无功成分的功率图。

在图1中示意性示出了具有根据本发明而构造的变换器的风能设备。它在整体上用参考数字1来表示。它以公知的并从而不再详细解释的方式具有一个可旋转地设置在塔10上的吊舱11。在其前端可旋转地设置了一个风转子2。它通过转子轴来驱动发电机3。它尤其可以作为同步机、异步机(相应通过变换器与电网相连)、但优选地作为双路馈电的异步机来实施。发电机3的定子直接地或者通过具有三相端子导线的变压器(未示出)连接到该风能设备1的电网9上。该发电机3的转子(未示出)与一个变换器4的发电机侧端相连接，该变换器的另一电网侧端连接到该电网9。另外还设置有控制装置5以驱动该变换器4。

该变换器的构造和原理将借助风能设备的例子来解释。本发明还可以应用于其他类型的电能发生器，其设置有用于把电功率馈入到电网中的变换器。该变换器4首先用于对由转数可变地驱动的发电机3所生成的、频率可变的电功率进行变换，使得它可以以相匹配的频率被输出到频率固定的电网9。在图2中示出了应用情况，其中该变换器4连接到一个双路馈电的异步发电机3上。在该变换器4的发电机侧端40连接了双路馈电的异步发电机3的转子31。在电网侧端49连接了该电网9。该发电机3的定子32直接连接到该电网。

该变换器4具有作为主要部件的、作为整流器41来运行的发电机侧逆变器、电网侧逆变器43以及一个其间所设置的作为连接的中间回路42。该发电机3的转子31连接到该发电机侧逆变器41。在该位置可以设置一个所谓的撬棒电路8来作为过载保护。该撬棒电路8被构造用于使该转子31短路，并从而避免出现有害的过压。该短路电路8的构造和原理在现有技术中是公开的，并从而不需要详细解释。该发电机侧变换器41用于引起针对由该转子31所馈入的三相电流的全波整流。该中间回路42作为直流电压中间回路来实施。它具有作为能量存储器的电容器46。该电网侧变换器43具有以全桥布置的六个可控的开关元件优选为IGBT。这些IGBT以已知的方式由该变换器的控制装置5来操作，使得生成频率和相位可调节的三相电流。频率和相位在此由该控制装置5来设置，使得其与电网9的频率和相位相一致。另外，还设置有控制输入端44，以通过控制线47来外部给定相位角。

该电网9连接到、亦即直接地或通过变压器(未示出)连接到由该电网侧逆变器43来馈电的、变换器4的输出端子49上。从而通过该变换器4，由该发电机3的转子31所生成的电能被馈入该电网9中(视该发电机3的运行点而定，该功率流也可以是相反的)。

在该电网上设置了用于电网9中电流和电压的相位的传感器对60。出于清晰的目的，该传感器对60仅示出了一相；其他的相相应地来设置。该传感器对60为相位调节装置6生成输入信号，这在下文中进行详细解释。该相位调节装置6包括相位角检测器61、电网错误检测器63、角度错误计算单元65和信号处理模块67，在其输出上为该变换器4的相位角输出给定值。该输出通过控制线47与该变换器4的控制输入端44相连接。该信号处理模块67包含有作为除法器来实施的一个提前模块。该除法器69被构造用于把该角度错误模块65所提供的角度值减半，并作为提前角通过该控制线47来输出。

该原理下面还参考图4和5来详细解释。假定由于电压相位的变化导致电网干扰。干扰出现在时间点t＝t₀＝0.2秒处。在该时间点处相位角在电感意义上跳变约17度的大小。干扰的出现通过该电网错误检测器63而被确定，并同时通过该相位角检测器61来确定绝对的相位跳变。在考虑实际的电网频率的情况下，通过该角度错误模块65利用该电网频率来校正由该相位角检测器61所检测的角度数据，并把起始角度设置为0度。从而得到了对于之后的信号处理模块67可分析的、在图5中所示的电网角度。如在图5中可容易地看出的，被校正到电网频率的相位角误差为17度。该值作为相位误差信号被施加到该信号处理模块67上。借助该除法器69由此确定一个8.5度的提前角。该提前角在该信号处理模块67的输出上被输出，并通过用于限制大小的特性曲线元件64和控制线47而被施加到该变换器4的控制输入端44。其在该变换器上电感性地调节为8.5度的一个控制角度。从而获得了一个运行点，其位于在图6中虚线示出的直线上。该变换器4的这种调节在以下意义上是最佳的，即在电网干扰结束处在相位返回时(见图4和5的t＝3.8秒)，在该变换器上得到了在电容性方向上高度为17度的一个角度变化，这从前述的8.5度的电感性相位误差出发导致一个新的8.5度的电容性相位角，如在图6中的点划线所示。由于相位关于有功功率轴线对称地变化，所以在图6中用水平实线所示的有功功率输出不变化。从而因为该变换器4至该电网9的有功功率输出保持不变，所以在该变换器的中间回路42中的电压也保持稳定。在按照当前技术的变换器中在这种情况中经常出现的有功功率调节的偏离从而可以被避免。从而还防止为了在该中间回路42中防护有害的过压而使该短路电路8放电。借助本发明，该变换器4在没有干扰或者破坏的情况下电网电压恢复时继续把有功功率馈入到电网中。该风能设备的运行可以被继续，而不会由于该短路电路8的不期望的放电而导致到该发电机3以及其驱动轴上的反作用。

符合目的地在该变换器上设置有一个保护单元48。其用于在利用由该相位调节装置6所检测的角度数据的情况下来检测在电网电压恢复时相位角差的曲线。该保护单元48影响该电网侧变换器43，并且能够在识别的错误状况时断开该电网侧变换器。该保护单元48被构造用于，如果当在电网电压恢复时在该电网侧逆变器43与该电网9之间的相位差不是缩小、而是增大，那么就断开该电网侧逆变器43。从而实现了在意外情况下对部件的最大保护。

第二实施例基于的是该第一实施例，并增加了在图3中所示的部件。相同的元件用相同的参考符号来表示。参见前文的解释而省略对其重新的解释。在该第二实施例中，另外还设置了一个作为跟踪同步电路(PLL电路)来实施的参考频率发生器。给它的输入施加了该电网9的相位的测量值。给该PLL电路66施加了由该相位角检测器61所确定的参考角度。通过自由运行装置62，该PLL电路在识别到电网错误的情况下被断开，并继续自由振荡。另外还设置了装置64以识别电网电压的恢复。在该实施例中其作为阈值开关来实施，其在该相位角返回到高于一个可调节的阈值时输出用于电网恢复的输出信号。该信号被施加给切换装置68的控制输入端。如果该切换装置68被操作，那么由该PLL电路66所跟踪的电网频率信号就被接通，并被提供给该变换器4的控制输入端44。该变化方案的运行方式如下。借助该PLL电路66，该电网角度在电网9中干扰持续期间被更新。如果在电网9中干扰结束时该相位角进行返回(见图5中的时间点t1)，那么这通过识别装置64来识别。它把一个相应的调节信号输出给该切换装置68，由此该PLL电路66的输出信号作为控制信号而被提供到该变换器4。从而实现了该变换器4能够立即再次定位于由该PLL电路作为参考而提供的电网频率。该变换器4从而能够迅速地再次与该电网同步，由此明显缩短了可能的瞬态振荡过程。从而能够没有延迟地立即再次实施该变换器4的有功功率调节。

Claims (13)

1.一种用于把电功率馈入到电网(9)中的变换器，该变换器用于具有通过风转子(2)驱动的发电机(3)的风能设备，其中该变换器(4)具有对于被输出到该电网(9)的电功率的相位角的控制输入端(44)，并且设置有相位调节装置，该相位调节装置具有电网错误检测器(63)、相位角检测器(61)和信号处理模块(67)，其特征在于，

该相位角检测器(61)与该电网错误检测器(63)共同作用，使得相互比较在电网错误之前和期间的相位角并且从中生成相位误差信号，并且

该信号处理模块(67)还具有提前模块，该提前模块被构造用于从由该相位角检测器(61)所确定的相位误差信号来确定一个提前角，该提前角作为给定角度通过控制线(47)被施加给该变换器的控制输入端(44)。

2.根据权利要求1所述的变换器，

其特征在于，

该提前模块被构造为除法器(69)。

3.根据权利要求2所述的变换器，

其特征在于，

所述除法器(69)具有为2的除数。

4.根据权利要求1至3之一所述的变换器，

其特征在于，

另外还设置了特性曲线元件(64)，该特性曲线元件把该提前角限制到可调节的界限值。

5.根据权利要求4所述的变换器，

其特征在于，

该特性曲线元件(64)设置有用于存储允许的有功功率和无功功率范围的存储器，从所述存储器中能够根据相应的功率来动态地调用界限值。

6.根据权利要求1至3之一所述的变换器，

其特征在于，

该相位角检测器(61)设置有波形发生器，该波形发生器被同步到该电网频率。

7.根据权利要求1所述的变换器，

其特征在于，

该电网错误检测器(63)与一个用于识别电网电压恢复的装置(64)共同作用，并设置有切换装置(68)，该切换装置被构造用于在电网恢复时把一个参考频率信号施加给该变换器(4)的控制输入端(44)。

8.根据权利要求7所述的变换器，

其特征在于，

该参考频率信号被构造用于反映该电网频率。

9.根据权利要求7或8所述的变换器，

其特征在于，

为了形成该参考频率信号设置了PLL电路(66)。

10.根据权利要求9所述的变换器，

其特征在于，

为所述PLL电路(66)设置了自由运行装置(62)，其由该电网错误检测器(63)来控制。

11.根据权利要求7或8所述的变换器，

其特征在于，

设置有保护单元(48)，所述保护单元被构造用于确定在电网电压恢复之前和之后在电网(9)与该电网侧逆变器(43)之间的相位角差，并在该相位角差增加的情况下断开该电网侧逆变器(43)。

12.风能设备，其具有通过风转子(2)驱动的发电机(3)以及用于把电功率馈入到电网(9)中的变换器(4)，其中该变换器具有对于输出到该电网(9)的电功率的相位角的控制输入端(44)，并且

设置有相位调节装置，该相位调节装置具有电网错误检测器(63)、相位角检测器(61)和信号处理模块(67)，其特征在于，该相位角检测器(61)与该电网错误检测器(63)共同作用，使得相互比较在电网错误之前和期间的相位角并且从中生成相位误差信号，并且

该信号处理模块(67)还具有提前模块，该提前模块被构造用于从由该相位角检测器(61)所确定的相位误差信号来确定一个提前角，该提前角作为给定角度通过控制线(47)被施加给该变换器的控制输入端(44)。

13.用于运行把电功率输入到电网(9)中的变换器的方法，其中该变换器用于具有通过风转子(2)驱动的发电机(3)的风能设备，其中被输出到该电网的电功率的相位角的控制信号被施加给该变换器(4)的控制输入端(44)，并且进行电网错误识别，

其特征在于，

确定在被干扰的电网中的相位角误差，将该相位角与在电网错误之前的相位角进行比较，并且从中生成相位误差信号，由所确定的相位误差信号为该变换器(4)确定一个提前角，并把该提前角作为给定角度施加给该变换器(4)的控制输入端(44)。

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