CN102177634A - 风能设备测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于限定地产生电网故障的风能设备测试装置，该风能设备测试装置带有输出端(21)和输入端(26)，在所述输出端(21)上可连接待测试的风能设备，所述输入端(26)用于连接电网(9)，其中，设置有开关装置(23、24)，用于接入与电网参数相关的电干扰部件。按照本发明，为电干扰部件(3)设置有自耦变压器，其中，无干扰的电网加在初级绕组接线端(31)上，并且在次级绕组接线端(32)上输出在电网参数方面受干扰的电网。由此，以简单的方式利用能源技术的传统的部件还能够将测试范围扩展到面对电压峰值的稳定性上。

Description

风能设备测试装置

技术领域

本发明涉及一种用于风能设备的测试装置。该测试装置具有输出端和输入端，其中，在该输出端上连接有风能设备，并且其中，在该输入端上可连接电网，并且设置有开关装置，用于接入与电网参数相关的电干扰部件

背景技术

随着风能设备的应用日益广泛，它们必须满足在其面对电网的性能方面的苛刻的要求。这尤其适用于被设置用于连接到中压电网上的风能设备。待满足的电网连接条件被称作相应电网运营商的“输电网准则(Grid-Code)”。例如，风能设备面对电网电压中的电压跃变的性能就属于这些要求。这些也被称作“电压穿越(Voltage Ride Through)”的要求表明，当在电网中有电压故障时，风能设备不应该立即断开，而是应该至少在电网上停留一定的时间(通常是大约150ms)，并且然后，要么在电网电压恢复之后尽可能快地再次将电功率馈入电网，要么在电网故障的持续时间期间通过馈入无功功率来参与支持电网，尤其是电网电压方面。

为了证实风能设备在满足电网运营商要求方面的这些所需要的特性，而设置有测试装置。这基于以下的认识，即，在真实的公共电网上进行的相应测量并不真正可行。借助于测试装置，限定地模拟出相应的电压故障，并且可以检验风能设备的性能。这种用于测试风能设备电压的装置已公知。因此，通过接入扼流圈来模拟电网欠压的干扰情况。

由EP 1 876 460 A1公知一种测试装置，该测试装置可以连接在待测试的风能设备与电网之间。该测试装置具有集成的变压器和多个矩阵式地相互连接的阻抗，这些阻抗可以通过开关切入(einschleifen)到电路中。利用该装置，能够模拟出不同的故障，如在相线之间或者至地线的单相短路或多相短路。在此，可以调节电压干扰的持续时间和强度，但彼此之间并不完全独立。

发明内容

本发明的目的在于，以如下方式改进开头所述类型的测试装置，即，可自由地对该测试装置进行调整，以便也就除短路之外的其他电网故障进行测试。

按照本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。具有优点的改进方案是从属权利要求的主题。

用于限定地产生电网故障的风能设备测试装置带有输出端和输入端，在所述输出端上可连接待测试的风能设备，所述输入端用于连接电网，其中，设置有开关装置，用于接入与电网参数相关的电干扰部件，在该风能设备测试装置中，按照本发明地设置：为电干扰部件使用自耦变压器，其中，无干扰的电网加在初级绕组接线端上，并且在次级绕组接线端上输出在电网参数方面受干扰的电网。

下面，首先阐述几个所使用的概念：

把“电网参数”理解为电网的电气量，如电压、频率或相位。典型地，使用在电网干扰的情况下通常发生变化的量，尤其是电网电压或电网相位。

把“受干扰的电网”理解为电网的反常状态，该反常状态对电网安全有负面影响并且要以补救措施来应对。

把“自耦变压器”理解为一种如下系统，在该系统中，初级绕组同时也形成次级绕组的一部分。因此，在初级绕组与次级绕组之间不存在电隔离。由上述定义得出：次级绕组是那个具有较大匝数的，即具有初级绕组的匝数和附加的绕组部分的匝数的绕组；反过来，初级绕组形成次级绕组的一部分，并且因此也仅具有次级绕组的匝数的一小部分。简单地说，次级绕组是带有较大匝数的绕组。

把“初级绕组接线端”理解为如下接线端，该接线端与共同的足点(Fuβpunkt)一起形成用于初级绕组的接线端对(Anschlusspaar)。

把“次级绕组接线端”理解为如下接线端，该接线端与共同的足点一起形成用于次级绕组的第二接线端对。

本发明基于以下认识，即，仅使用电能源技术的少量的传统的部件，即开关、变压器和如需要的话还有扼流圈，就能够以简单的方式实现一种测试装置，该测试装置也可以与电压峰值或出现的相位跃变相关地使用。自身公知的自耦变压器以如下方式用在按照本发明的测试装置中，即，该自耦变压器也可以用于产生较高的电压。通过这种令人惊讶地简单的技巧还可以产生用于测试的电压峰值。由此，能够以简单的方式在利用传统的部件的情况下扩展用于风能设备的测试项目。

需要说明的是，将自耦变压器用于测试装置已被提出。但这些自耦变压器仅用于产生较低电压。本发明已认识到：通过合适的布线方式，也能够以如下方式来驱动自耦变压器，即，可以将该自耦变压器用作电干扰部件，用于产生电压峰值。

此外，按照本发明设置的自耦变压器提供以下优点，即，该自耦变压器可以与转角线圈(Schwenkspule)组合(组合的自耦转角变压器(Spar-Schwenktransformator))。通过这种组合附加地实现了相移。由此，也能够以简单的方式组合成在相位方面的电网干扰。需要说明的是，通过设计自耦变压器中的绕组比例关系也能够实现的是，不出现电压变化，只有相位被旋转。在此，更加具有优点的是如下系统，在该系统中，用于相位的、附加的转角线圈以能开关的方式布置。由此，可以根据开关的位置，附加地接上相位跃变，作为其他的电网干扰，或者这可以同时带有电压跃变地进行。

优选地，自耦变压器以如下方式构成，即，该自耦变压器具有多个用于次级电压接线端的抽头。由此能够实现针对电压跃变的不同的高度。与此相应地，也可以设置：用于自耦变压器的转角线圈具有多个抽头。由此也可以实现不同的相位跃变。

优选地，设置有在三角形接法中带有交替旋转地布置的线圈对的、组合的自耦转角变压器。在这种情况下，把“交替旋转”理解为：由各个线圈对夹定的电气角是不同的。在这种情况下，把“电气角”理解为使用余弦定理从匝数中确定的角度。精确的计算在下面的附图说明中详细指出。该优选的实施方式提供以下优点，即，该实施方式利用唯一的部件既能够实现对过压的测试，又能够附加地实现对相位跃变的测试，并且所述测试甚至全相位地实现。

已示出的是，以如下方式提供特别有利的布置方式，即，自耦转角变压器针对53°的角地设计而成。这意味着，电气角交替地为53°或67°，由此，越过三相得到360°的总和。需要说明的是，通过改变或调整匝数，也可以产生其他任意的旋转角。

具有优点地，设置有用于转角变压器的多路开关单元。该多路开关单元以如下方式构成，即，同一自耦变压器可以切换到如下第二接通变型方案，在该第二接通变型方案中，该自耦变压器用于产生欠压。由此，可以将一个并且是同一个自耦变压器用于既对电压峰值进行测试，又对欠压进行测试。也可以设置：自耦变压器具有多个并联的变压器，这些变压器可被独立地接入。由此，各个单个变压器可以针对不同的功能而设计，从而可以根据期望来激活这些变压器。

具有优点地，开关装置的开关和如需要的话还有多路开关单元的开关构成为双开关。这提供很短的开关时间的优点。若希望开关时间非常短，那么也可以将该开关实施为电子开关。这提供了如下的其他优点，即，表现出很高的耐磨性，并且因此即使在高的开关周期的情况下也给出长的使用寿命。

利用本发明的特别具有优点的实施方式，可以设置：逆变器设置在电干扰部件中。由此，可以通过相应地操控逆变器而接上自身可自由选择的电网干扰。于是，变压器不再是必需的，并且如需要的话可以由逆变器来代替。

附图说明

下面参考附图详细阐述本发明，在这些附图中示出的是具有优点的实施例。其中：

图1示出带有按照第一实施方式的测试装置的风能设备的示意图；

图2示出按照第二实施方式的测试装置的示意图；

图3示出用于按照第一实施方式的测试装置的电路实例；

图4示出用于按照第一实施方式的测试装置的另外的电路实例；

图5示出用于按照第二实施方式的测试装置的其它电路实例；

图6a、图6b示出用于第一实施方式的带有多路开关单元的测试装置的电路实例；

图7示出用于第二个电路实例的变压器；以及

图8示出按照图7的变压器的配线(Verschaltung)。

具体实施方式

按照本发明的测试装置用于测试风能设备1在电网上的性能。可以将实际存在的公共电网9作为电网，或者可以求助于一个或多个对电网进行模拟的电源9′。

在其整体上带有附图标记2或2′的测试装置连接在风能设备1与电网9或作为替代物起作用的电源9′之间。在此，变压器11通常连接在测试装置2与风能设备1之间，该变压器在大多数情况下实施为风能设备1的中压变压器。无论如何，这都适用于带有双馈式异步发电机的风能设备1。在其他的实施例中，如需要的话可以将测试装置连接在风能设备1与变压器11之间。

图1所示的第一实施方式的实例阐述的是基本结构。风能设备1经由变压器11连接到测试装置2的输出端21上。与输出端21相连的是第一开关23和第二开关24。这两个开关通过开关模块25来控制。这两个开关23、24处在第一位置中还是处在第二位置中取决于由开关模块25送出的操纵信号，在所述第一位置中，第一开关23闭合而第二开关24打开(图1中所示)，在所述第二位置中，第一开关23打开而第二开关24闭合。在第一位置中，输出端21直接与其上可连接有电网9的输入端26相连。此开关位置代表着风能设备1在无干扰的电网9上的正常运行。在第二开关位置中，输出端21与电干扰部件3相连。构造该电干扰部件的目的在于，从由公共电网9所提供的电压U_N中产生干扰电压U^*，在干扰情况下将该干扰电压接到风能设备1上。该干扰电压U^*不同于电网9的电压U_N，尤其是，为了模拟过压情况，该干扰电压可以更高。通过受控制地操纵两个开关23、24，可以确定对风能设备1施加(模拟的)电网电压干扰的时间点和持续时间。通过调节干扰部件3的电压，可以控制电压干扰的严重程度。测试装置的这种实施方式提供以下优点，即，该测试装置能够直接在公共电网9上实现风能设备1的测试，并且能够以很低的附加支出，借助于电干扰部件3自给自足地产生测试所需的干扰电压。该实施方式由此提供在更简单地操作方面的优点。应结合该实施方式示例性地详细阐述本发明。

图2所示的可供选择的第二实施方式与图1所示的实施方式的区别基本上在于，干扰部件3′构成为单独的模块。为此，从测试装置2′中引出第二输入端27，该第二输入端被设置用于连接到公共电网上，在这里，该公共电网可以由用于模拟而设置的电源9′来代替。测试装置2′与测试装置2的区别基本上在于，电干扰部件3′不再集成在测试装置2′中，而是被模块化了。这提供了设置不同的电干扰部件3′的可能性，这些不同的电干扰部件根据应用情况作为模块接在测试装置2′上。

图3和图4示出用于实施测试装置2的两个不同的电路实例。出于简化的原因，并未示出用于两个开关23、24的开关模块25。在输出端21上分别经由变压器11连接有风能设备(未示出)。在输入端26上连接有公共电网9。可以再次看出第一开关23，该第一开关23在正常运行中将风能设备经由变压器11直接与电网9连接。还可以看出第二开关24，在第一开关23打开时，该第二开关24将干扰电压接合到至变压器11的风能设备1上。附加地，设置有与第一开关23并联的扼流圈28。该扼流圈作为用于渡过开关间歇的切换辅助装置来起作用，所述开关间歇在切换两个开关23、24时必然出现。因为，为了避免在正常电压与干扰电压之间出现短路，必须以如下方式来选择两个开关23、24的开关点顺序，即，这些开关点不重叠，而是，产生至少最小的间隔，其间两个开关均打开。为了在该开关间歇期间也实现输出端21上的限定的状态，设置有扼流圈28。需要说明的是，该扼流圈28可以是简单的电感(如所示出的那样)，或取而代之地可以使用带有被短路了的次级侧的变压器。后者提供面对如下电流冲击的更好的耐受性的优点，该电流冲击可能为多倍的额定电流，并且导致巨大的热负荷以及还有磁性负荷。尤其是，与简单的扼流圈相比，作为扼流圈连接的变压器能够更好地承受磁性过载。

在该电路系统中，电干扰部件3由带有初级绕组31和次级绕组32的自耦变压器组成。该初级绕组31以接线端(足点)连接到可以接地的星形接点(Sternpunkt)上，并且在另一接线端上连接有用于连接(无干扰的)公共电网9的输入端26。在次级绕组32的接线端上又连接有开关24。作为电干扰部件3的自耦变压器的作用方式如下所述。在正常工作中，开关24打开而开关23闭合。公共电网9的加在初级绕组31的接线端上的电压直接经由变压器11与风能设备1相连。如果操纵开关23、24，那么首先打开开关23，由此使电流流经扼流圈28(在这种情况下通常产生相位跃变)，到这时，最后闭合开关24。由电网9加到输入端26上的电压现在不再1∶1地传输，而是由自耦变压器以初级绕组31与次级绕组32之间的匝数的比例关系得以提高，从而最终使过电压经由变压器11加到风能设备1上。接回方式(Rückschaltung)以相反的顺序实现，其中首先打开开关24，并且在开关间歇结束后闭合开关23。可以由此测试风能设备1的过压稳定性。

图4示出另外的电路系统。该电路系统与图3所示的电路系统的区别基本上在于，用于电干扰部件3′的自耦变压器构成为自耦转角变压器。这意味着，次级绕组32′附加地被实施为转角绕组(Schwenkwicklung)，也就是说，该次级绕组使连接在其上的电压的相位发生转动。本发明已认识到：在实践中，电网中的电压跃变通常不仅影响电压的高度，而且影响其相位。利用该电路系统，本发明提供以下优点：这可以通过带有集成的转角绕组32′的自耦转角变压器的特别的实施形式而被顾及到。如此地进行装备的、按照本发明的测试装置的应用范围由此变大。

需要说明的是，次级绕组32以及32′优选地设有中间抽头34。通过将第二开关24连接到该抽头34上，可以选择过压的程度以及旋转角的度数。相应地也适用于初级绕组31，该初级绕组31同样可以设有多个抽头33，然后输入端26可以选择性地与所述抽头33相连。

在图5中示出可供选择的电路变型方案，在该电路变型方案中，作为电干扰部件，代替转角变压器地设置有变流器3″。该变流器包括有源的整流器35、中间电路36和逆变器37。整流器35可以连接到公共电网9上，但也可以按照其他方式供应电能。逆变器37产生附加电压U_Z，该附加电压与公共电网9的电压U_N相加并且加在第二开关24上。整流器35和逆变器37的接通经由耦合变压器(Koppeltransformator)38、39来实现，所述耦合变压器用于将中压电势隔开。如果(像前面所述的那样)操纵第一开关23和第二开关24，那么利用闭合第二开关24，将过高的电压经由变压器11加到风能设备1上。通过相应地操控逆变器37还可以将电压U_Z的极性翻转过来，从而将欠压加在开关24上。由此，也可以在欠压的情况下测试风能设备的性能。开关23、24被实施为双开关23a、23b和24a、24b。由此，可以实现非常短的开关时间，以便因此也模仿出短时间的电压峰值或电压陷落(暂态)。在按照图3和图4的实施方式中也可以设置该双开关。需要说明的是，利用在逆变器37上的快速调节，也可以无需开关23、24地直接由逆变器37来控制干扰成分的施加。

在图6中示出另外的电路系统，该电路系统可以选择性地用于产生过压或欠压。该电路系统基于按照图4的电路变型方案。附加地，设置有多路开关单元4。该多路开关单元包括两个换向开关(Wechselschalter)41、42，这两个换向开关选择性地将输入端26与初级绕组31的接线端或次级绕组32的接线端连接，或者将第二开关24与次级绕组32的接线端或初级绕组31的接线端连接。如果该多路开关单元4处在其中性位置内(如图6a所示)，那么产生与图4中的开关系统相应的开关系统。由此，利用操纵第一开关23和第二开关24，向风能设备1施加过电压。相反，如果该切换设备处在(如图6b所示的)第二位置中，那么形成如下开关系统，在该开关系统中，从现在起连接有自耦转角变压器用于降低电压，并且在第二开关24上加有相对于输入端26上的电压来说更低的电压。因此，通过操纵开关23、24向风能设备1施加欠压。利用该切换设备，按照本发明的测试装置与按照本发明地设置的自耦变压器相结合能够以令人吃惊地简单的方式，既实施欠压测试又实施过压测试。

图7示出针对用于三相交流电应用的自耦/转角变压器的技术实施实例。可以看出六个绕组，这些绕组被实施为第一种类型Ⅰ和第二种类型Ⅱ的交替地布置的绕组。针对如下情况来计算变压器：加在输出端子U1、V1、W1上的输出电压例如为20kV，与加在输入端子U2、V2、W2上的为20kV的输入电压完全一样。在所示的实施例中，变压器是针对53°的旋转角计算出的。由此，可以使用“余弦定理”，以支线电压作为等边三角形的边，根据以下公式来确定第一种类型Ⅰ的绕组的绕组电压：

由此得到10.3kV的值。相应地，针对第二种类型Ⅱ的绕组的绕组电压，得出：

由此得到12.75kV的值。

变压器的边分别通过两个彼此对置的绕组形成，即在图7中，对于第一边来讲，例如通过类型Ⅰ的置于上方的绕组和类型Ⅱ的置于下方的绕组形成，等等。因此，电压U_Ⅰ和电压U_Ⅱ的比例关系直接代表着自耦/转角变压器的初级绕组和次级绕组的匝数的比例关系。

图8示出自耦/转角变压器的各个单个绕组的接线端配线的实例。在输入端接线端和输出端接线端上出现的电压在这种情况下是一样高的，但相对于彼此旋转了53°的相位角。需要说明的是，输出端和输入端可以彼此调换，由此可以将相位角翻转过来，因此得出-53°。通过使匝数匹配，可以实现任意的旋转角并且也可以实现任意的电压变换比。如果在绕组上设置有一个或多个抽头，那么可以仅利用一个变压器就实现不同的旋转角并且如需要的话也可以实现电压变换。

Claims (15)

1.用于限定地产生电网故障的风能设备测试装置，所述风能设备测试装置带有输出端(21)和输入端(26)，在所述输出端(21)上能连接待测试的风能设备(1)，所述输入端(26)用于连接电网(9)，其中，设置有开关装置(23、24)，用于接入与电网参数相关的电干扰部件(3)，

其特征在于，

为所述电干扰部件(3)使用自耦变压器，其中，无干扰的电网加在初级绕组接线端(31)上，并且在次级绕组接线端(32)上输出在所述电网参数方面受干扰的电网。

2.按照权利要求1所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

所述转角变压器具有附加的转角绕组(32′)。

3.根据权利要求2所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

所述转角绕组(32′)以能开关的方式实施。

4.根据上述权利要求中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

所述初级绕组和/或所述次级绕组(31、32)设有多个抽头(33、34)。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

所述转角绕组(32′)设有多个抽头(34)。

6.根据上述权利要求中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

设置有带有集成的转角绕组(32′)的自耦/转角变压器。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

以如下方式来设计所述转角绕组，即，相之间产生50°至60°，优选53°的电气角。

8.根据上述权利要求中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

所述开关装置(23、24)包括双开关，所述双开关为了产生短的开关时间而串联。

9.根据上述权利要求中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

所述开关装置包括电子开关。

10.根据上述权利要求中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

设置有多路开关单元(4)，所述多路开关单元(4)将所述电干扰部件(3)在过压运行方式与欠压运行方式之间切换。

11.根据上述权利要求中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

所述电干扰部件包括逆变器(3″)。

12.根据上述权利要求中任意一项所述的风能设备测试装置，

其特征在于，

所述自耦变压器由多个并联的变压器组成，所述多个并联的变压器能够被单个地激活。

13.用于测试风能设备的方法，所述方法带有以下步骤：

串联和/或并联自耦变压器，以便以第一变换比，尤其是1∶1，在配电网与风能设备之间产生连接；

暂时地将所述自耦变压器切换到带有更高次级电压的其它变换比上并持续预先限定的时间；

将所述自耦变压器接回到所述第一变换比上。

14.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，

以不同的变换比和/或变压器来实施步骤二。

15.根据权利要求13或14，

其特征在于，

以不同的旋转角来实施步骤二。

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