CN101919143B - 用于运行风能装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行风能装置的方法，该风能装置具有双馈电式异步电机、至少一反用換流器以及至少一控制装置，其中通过反用換流器至少将部分的电能馈送到电网上，反用換流器按照相位包括至少一功率半导体模块，该功率半导体模块具有至少两个晶体管电路和至少两个储能二极管，并且反用換流器在使用控制装置时至少部分地通过脉冲宽度调制法(PWM)进行控制。本发明的目的在于，在转子的静音区域中也能够改善功率输出，该目的通过上述方法由此实现，其中在电机端通过反用換流器传送的电流频率小于10Hz，优选小于6Hz时，晶体管电路和/或反用換流器的储能二极管的接通持续时间和/或开关频率根据其发热升温的影响通过控制装置进行变化。

Description

用于运行风能装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行风能装置的方法，该风能装置具有双馈电式异步电机、至少一个反用換流器以及至少一个控制装置，其中通过反用換流器至少将部分的电能馈送到电网上，反用換流器按照相位包括至少一个功率半导体模块，该功率半导体模块具有至少两个晶体管电路和至少两个储能二极管，并且反用換流器在使用控制装置时至少部分地通过脉冲宽度调制法(PWM)进行控制。本发明还涉及一种计算机程序以及一种计算机程序产品，用于采用处理器来执行该方法，并且本发明还涉及一种风能装置的双馈电式异步电机的控制装置及一种风能装置。
背景技术
在风能装置上，鉴于其效能和静音都提出了很高的要求。由于伴随转子转速的加大而提高了风能装置噪音的增大，所以一种简单的方式是，为了降低风能装置的噪音而降低其转子转速。在降低转子转速时会使得，双馈电式异步电机必须长时间地在同步的运行区域中运行。通常在双馈电式异步电机的转子端设有反用换流器。在同步的运行区域中，转子端的电流以非常低的频率(低赫兹区域内)进行传送，该电流通过电机端的反用换流器提供。电机端的反用换流器也根据转子端传送的电流频率来运行。反用换流器的控制传统上通过脉冲宽度调制法实现，在脉冲宽度调制法中通过较高、恒定的频率计算出转子端所需的额定电流并且功率半导体模块为产生转子电流而开启和关闭反用换流器的每个相位。在非常低的频率下，功率半导体的组件(通常是晶体管电路和储能二极管)在负荷时间上并不是稳定的，而是与其发热下的冷却作用相比很大程度上逐渐地加大负荷。功率半导体模块的组件(每相位至少两个IGBT模块和两个储能二极管)由于很长的接通持续时间而急剧地升温，而热量排放并不能实现温度的降低。基于晶体管电路或储能二极管的发热状态，这些组件部分升温至其最大组件温度。在双馈电式异步电机的同步运行区域中为阻止相应的升温，唯一可行地就是降低在该转子转速区域中的转子电流。这将导致在该转子转速区域中明显的功率下降。为避免该转速区域而采用额外的传动装置并不实用，因为每个额外安装的机械构件都会容易磨损。为了功率下降的另一可行性方案是，将反用换流器及其功率半导体模块的设计尺寸增大，从而这些组件也就不会在同步运行区域内急剧地升温。然而，相对而言，这将关系到明显高额的投入成本。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于，提出一种开头所述的方法，用于运行风能装置，在该方法中在转子静音的转速区域中也能够实现更良好的功率输出。
该目的根据本发明的第一方案通过一种开头所述的方法以此实现，即在电机端通过反用換流器传送的电流频率小于10Hz，优选小于6Hz时，晶体管电路和/或反用換流器的储能二极管的接通持续时间和/或开关频率根据其发热状态通过控制装置进行变化。
相对于传统的、通过PWM来控制功率半导体而言，根据本发明可以着手于功率半导体模块发热而产生的影响，从而能够实现，有目的地选定晶体管电路和/或储能二极管的发热，也就是说与具有恒定脉冲频率的传统PWM方法有所区别。这种可行性方案产生的结果是，例如通过在单一相位的不同储能二极管或晶体管电路上分配电流通路而实现了更良好的发热分配。从而，风能装置的功率输出不必或不必急剧地下降，因为在相同的电路布局中这样能够产生更高的输出电流。
根据本发明的第一设计方法，如果采用一种转子端的反用換流器，则反用换流器基于其转子端的设置而能够以小尺寸设计，因为大部分的电功率在定子端馈送到电网上。
根据本发明方法的又一实施例可以由此而实现在双馈电式异步电机的同步运行区域内更良好的风能装置的功率输出，即晶体管电路和储能二极管的接通持续时间和/或开关频率至少各自根据各个组件温度与最大结点温度的比值进行选定。根据本发明方法的这种设计方案使得，储能二极管和晶体管电路(通常设计成IGBT模块)的能量损失是不同的，从而在晶体管电路和储能二极管的相同电流负荷中处于不同的组件温度下。通过参考不同的发热状态而能够汲取在功率半导体模块中额外的功率后备，从而不会使得组件温度到达临界的结点温度区域中。
如果晶体管电路和/或储能二极管的接通持续时间和/或开关频率与组件温度的依从关系通过模拟组件的发热状态进行预设，则能够以简单的方式评估出组件的发热并且注意到小于10Hz，特别是小于6Hz的电机端的电流频率。
更进一步或可选地，对于根据接通持续时间或开关频率来模拟组件的发热状态，可以通过传感器确定出组件温度。温度传感器本身不是直接安置在组件(也就是储能二极管)上，而是安置在其附近，从而通过温度取样能够确定出IGBT或储能二极管的发热。通过温度取样，传感器提供了对于当前组件温度的程度，从而尤其是连同发热状态的模拟，鉴于最大组件温度而能够实现组件功率后备的精确利用。
此外，组件的发热升温由特别在接通和关闭过程中产生的功率损耗确定。根据本发明方法的又一设计方案，如果在功率半导体模块中开关过程的次数被减少，则由此能够同时实现额外的功率后备。
优选地，为减少开关过程，功率半导体模块采用平顶处理法(Flattopverfahren)或通过预先计算出的脉冲图形来控制。在平顶处理法中，代替用于待调制电压矢量或电流矢量的预设角度区域内的空间矢乘法(Raumzeigermodulation)而恰好将组件的输出电压或输出电流保持在原有水平上，并且由此而降低了开关过程的次数。电流矢量或电压矢量的典型角度区域是30°、60°、120°，在这些角度区域中水平控制是恒定的。在预先计算出的脉冲图形中，其会参考不同的参数，例如也就是晶体管电路和储能二极管的不同的功率损失和结点温度而事先进行计算，并且在图表中分列出全部周期的脉冲图形。在运行中，控制装置仅提供对应于输入数值(例如传送的转子电流)的脉冲图形，以控制电机端的反用换流器。开关频率也能够通过这种方式简单地降低，因为具有低电机端电流频率的运行区域可以通过低开关频率来运行。
上述目的，根据本发明的第二方案通过一种计算机程序实现，其具有促使处理器执行根据本发明的方法的命令。同时也提出了一种计算机程序产品，该计算机程序具有促使处理器执行根据本发明的方法的命令。对于根据本发明的计算机程序或计算机程序产品的优点在根据本发明的方法的说明中已被证实。
上述目的，根据本发明的第三方案通过一种风能装置的双馈电式异步电机的控制装置实现，其中控制装置控制双馈电式异步电机的反用換流器，使其将电能馈送到电网中，并且控制装置设有根据本发明的方法来控制反用換流器的装置。根据本发明的控制装置也能够使风能装置的双馈电式异步电机在同步运行区域内运行，而不必明显地降低功率输出。
同时，还提出一种风能装置，其包括双馈电式异步电机、至少一个反用換流器以及至少一个控制装置，该控制装置用于执行根据本发明的方法，其中风能装置可以在低噪音的转子转速区域内运行。
附图说明
目前设计并改进了根据本发明的方法、控制装置及风能装置的多种可行性方案。对此一方面通过多个从属于权利要求1的从属权利要求得以证实，另一方面参照附图对多个实施例进行说明来证实。在附图中：
图1示出了现有技术中功率半导体模块的电路图，该模块根据电流相位或电压相位应用在风能装置中，
图2a)到2c)示出了图1的功率半导体模块在脉冲宽度调制法控制下典型的电流-时间-图形，
图3a)和3c)示出了图1的功率半导体模块在根据本发明方法的实施例控制下的电流-时间-图形，
图4示出了现有技术中已知的、电机端三相反用换流器的电路图，
图5示出了根据平顶处理法的根据本发明方法的另一实施例的空间矢量图，
图6示出了根据本发明方法的另一实施例，用于控制功率半导体模块的脉冲图形，以及
图7示出了根据本发明的风能装置的实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了单相的反用换流器的电路图，其是现有技术中已知的。通常设计为IGBT模块的晶体管电路1、2连同并联的储能二极管3、4设置用于，通过在输出端5上IGBT模块1、2的接通或开启而流过相应的带有正号或负号的电流。例如，IGBT模块1连同储能二极管4设置用于正号的电流。反之，IGBT模块2连同储能二极管3则适用于相反的情况。IGBT模块1、2以及储能二极管3、4与电源V连接，该电源例如可以是反用换流器的中间电路电压。当前，在图2a)中的电压时间图表示出了控制电压6的曲线及附属的辅助电压7的曲线，该控制电压用于控制反用换流器，该辅助电压在传统的脉冲宽度调制法中采用。在辅助电压和控制电压的相交点上接通或断开相应的IGBT模块。
在图2b)和2c)中，控制电压6的正半波示出了在IGBT模块1及储能二极管4中的相应电流I1、I4。在图2b)中可以看出，IGBT模块1在控制电压的正半波期间在电流供应上要明显强于附属的储能二极管4。如果控制电压具有足够高的频率，例如电网频率为50到60Hz，则基于缓慢的热量转移从IGBT模块1、2或储能二极管3、4中出现发热的均势，这将导致模块或储能二极管平均的发热，其中在图1中示出的单相反用换流器的最大电流输出通过功率半导体1、2、3、4的恒定发热与各个组件的最大允许结点温度相比较而确定。
如在双馈电式异步电机的同步运行区域中所出现的，控制电压的频率特别低的情况下，例如频率小于10Hz或6Hz时很容易想到，控制电压6通过明显较长的时间段来设定平均值。在本实施例中，这将导致，IGBT模块1与储能二极管4相比明显更长的时间被控制，并且就此而言很大程度上避免了急剧的发热，并且本身不会改变发热和热量传送之间的平衡。
此外还示出了图2b)和2c)之间的比较，即不依赖于组件(也就是IGBT模块1或储能二极管4)的热属性，控制通过脉冲宽度调制法来实现。明显可以看出，储能二极管4事实上具有较短的开关周期或导电时间周期。
当前在图3a)和3b)中示出了电流-时间图表，该图表是在采用根据本发明方法下所产生的，其中IGBT模块1和储能二极管4的接通和断开相位选择放弃传统的脉冲宽度调制法。储能二极管4或IGBT模块1的接通持续时间可以例如优选根据各个组件温度与IGBT模块或储能二极管的最大结点温度之间的比较来选择。在本实施例中，储能二极管4相对于最大结点温度具有明显较大的功率后备并且控制时间要长于传统方式。IGBT模块1的接通持续时间被降低，以便于更好地分配通过两个组件的电流。总的来说，在两个组件，IGBT模块1和储能二极管4上提供了更好的损耗功率分配。优选地，接通持续时间这样选择，即IGBT模块1和储能二极管4的组件温度相对于最大可允许的结点温度具有相同的功率后备。
为了详细的描述根据本发明方法的另一设计方案，在图4中示出了三相反用换流器的电路图，其中示出了作为开关1、2、5、6、9、10的IGBT模块。为每个IGBT模块1、2、5、6、9、10分别设有储能二极管3、4、7、8、11、12。功率半导体1、2、3、4与相位L1通电，功率半导体5至8与相位L2通电，功率半导体9至12与相位L3通电。
当前可以参考三相的结构，以根据本发明方法的又一实施例减少在功率半导体模块中的开关过程次数，从而发生少量的功率损耗并因此而降低单一功率半导体的发热。
图5中的空间矢乘图示出了三个空间矢量区域13、14、15，在该区域中根据本发明的方法对一个分量(例如L1)保持满标输出。在区域13中的任意电压矢量或电流矢量s可以由沿着轴L1、L2、L3的组件矢量和得出，其中(如所设置的)在空间矢量区域13中，分量L1为满标输出(＝1)。所属的矢量和在相位L2、L3的其他功率半导体模块的电路上实现，该电路在此标注为16、17。在本实施例中，空间角度区域为60°，在该区域中分量为满标输出。但是空间角度区域也可以作其他选择，例如30°。很明显，相位L1、元件1、2、3、4的分量在所选的空间角度区域中没有接通，因为其被满标输出，从而在一个电流通路中实现了开关过程次数的减少。开关过程的减少又促使在功率半导体中损耗热量的降低，从而可以提高其电流输出。
对于减少开关过程次数的另一可行性方案由此而实现，即采用预先计算出的脉冲图形，以控制功率半导体。相应的用于控制各个相位L1、L2、L3的脉冲图形在图6中示出。对于每个角度位置α1、α2、α3在表格中存储了特定的开关图形并呼叫相应的相位位置。通过在较低开关频率上脉冲图形的优化及功率半导体上发热结果的优化可以进一步地减少开关过程的次数。其结果是，与在平顶处理法中相同，在功率半导体上产生更少的功率损耗，从而改善了功率后备。
图7随后示出了带有螺旋桨18的风能装置的电路图，该螺旋桨可选地通过传动装置(未示出)与双馈电式异步电机20的转子19连接。双馈电式异步电机20的定子21在本实施例中通过变压器22电网23连接。在本实施例中，控制装置24确定出转子转速并且将该转速与定子21上通过测量点25、26确定出的电压或电流进行比较。控制装置24与设置在转子端的反用换流器27连接，并且一方面控制设置在电网端的反用换流器27a，另一方面控制设置在电机端的反用换流器27b。例如为了降低噪音，在转子上的电流以低频率传送。现在所设置的，在频率小于10Hz或小于6Hz时，风能装置的功率输出明显地降低，从而可以防止功率半导体过热。
根据本发明的风能装置通过根据本发明的控制装置24与传统的反用换流器27b的脉冲宽度调制法相比以根据本发明的方法在小于10Hz或小于6Hz的电流频率时进行转换，该方法根据其发热状态来改变晶体管电路和储能二极管的接通持续时间和/或开关频率。通过控制方法的变化而实现，在转子端的反用换流器的任意布局中，双馈电式异步电机的同步区域中的功率不会像现有技术中那样急剧地下降。从而，该风能装置也能够在静音的转子转速区域中运行，而不会出现功率损失。

Claims (11)

1.一种用于运行风能装置的方法，所述风能装置具有双馈电式异步电机、至少一个逆变器以及至少一个控制装置，其中通过所述逆变器至少将部分的电能馈送到电网上，所述逆变器每个相位包括至少一个功率半导体模块，所述功率半导体模块具有至少两个晶体管电路和至少两个储能二极管，并且所述逆变器在使用控制装置时至少部分地通过脉冲宽度调制法(PWM)进行控制，其特征在于，
在电机端通过所述逆变器传送的电流频率小于10Hz时，所述晶体管电路和／或所述逆变器的储能二极管的开关频率根据其发热升温的影响通过控制装置进行变化，在所述功率半导体模块中开关过程的次数被减少。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电机端通过所述逆变器传送的电流频率小于10Hz时，所述晶体管电路和／或所述逆变器的储能二极管的接通持续时间根据其发热升温的影响通过控制装置进行变化，在所述功率半导体模块中开关过程的次数被减少。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用一种转子端的逆变器。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述晶体管电路和／或所述储能二极管的接通持续时间和／或开关频率至少分别根据各个组件温度与最大结点温度的比值进行选定。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述晶体管电路和／或所述储能二极管的接通持续时间这样进行选定，即组件温度都各自与每个组件的最大结点温度形成相同的比值。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述晶体管电路和／或所述储能二极管的接通持续时间和／或开关频率与组件温度的依从关系通过模拟的组件发热状态进行预设。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过传感器来确定组件温度。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为减少开关过程，所述功率半导体模块采用平顶处理法或通过预先计算出的脉冲图形来控制。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在电机端通过所述逆变器传送的电流频率为小于6Hz。
10.一种风能装置的双馈电式异步电机的控制装置，其中控制装置控制双馈电式异步电机的逆变器，使其将电能馈送到电网中，并且所述控制装置设有根据权利要求1至9中任一项所述的方法来控制逆变器的装置。
11.一种风能装置，其包括双馈电式异步电机、至少一个逆变器以及至少一个控制装置，所述控制装置用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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