CN104782013A - 用于馈入电能的方法和风能设施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将电能馈入到电的三相供电网(8)中的方法，所述方法包括如下步骤：将电流借助于馈入单元(2)在电网连接点(60)处馈入，检测供电网(8)中的不对称性、尤其是供电网(8)中的负序分量，将不对称的电流份额馈入到供电网(8)中，以用于至少部分地补偿检测到的不对称性，其中馈入不对称的电流份额进行成，使得馈入单元(2)对此如耗电器(6)那样表现。

Description

用于馈入电能的方法和风能设施

技术领域

本发明涉及一种用于馈入电能的方法以及用于执行这种馈入的设备、尤其是风能设施。

背景技术

如今越来越多地，可再生的能源、如风能设施或风电厂馈入到在下面也能够简单地称作为电的电网或电电网的电的供电网中，所述可再生的能量源具有与为了馈入应用至少一个大型发电机的常规的大型发电厂不同的电性能。因此，越来越多地，这种大型发电机通过其他的馈入单元、如逆变器来替代。这在本领域中也称作为取代装置。尤其在如德国的国家中，出现相对高的取代度，即通过其他的馈入单元替代相对大量的发电机。这也能够对供电网具有基本影响。特别地，存在如下担忧，随着取代度的提高，通过至今为止进行馈入的发电机得到的可能的对称效果丧失或者至少变弱。

出于该原因，规划的欧洲电网准则ENTSO-E提出，电网运营商能够要求不对称的电流馈入。对称性或不对称性的术语在此涉及三相供电网的三个相彼此间的关系。尤其在供电网中的不对称的干扰的情况下，如在例如两个相之间的短路或者一个相相对于地的短路的情况下，提出，在此尽可能补偿地进行馈入。在此，如果至少一个相在电网中的实际电压与其理论值和/或其额定值偏差大于10％，那么才假设干扰。

就此，存在首要目标，所述首要目标可能不能够是足够广泛的。

德国专利商标局在优先权申请中检索到如下现有技术：DE 10 2006054 870A1；US 7 423 412 B2；ANDERSSON,G.:ElektrischeEnergiesysteme-Vorlesungsteil Energieübertragung(电能系统-能量传输的讲座部分),第127–147页,EEH-Power Systems Laboratory,ETH Zürich,2009年九月；Symmetrische Komponenten(对称分量),inWikipedia,Die freie(Wikipedia,the free encyclopedia，在维基中，自由的百科全书),2012年4月23日的版本,URL:http://de.wikipedia.org/w/index.php？title＝Symmetrische_Komponenten&oldid＝102361863[于2012年7月29日递交]。

发明内容

因此，本发明基于如下目的：解决上述问题中的至少一个。特别地，应当提出一种解决方案，所述解决方案改进电网质量，或者至少对电网质量不下降或不显著下降的做出贡献。至少应当对迄今已知的设计提出替选的解决方案。

因此，根据本发明，提出一种根据权利要求1所述的用于将电能馈入到电的三相供电网中的方法。

因此，将电流借助于馈入单元在电网连接点处馈入到三相供电网中。此外，检测供电网中的不对称性，这尤其能够经由检测负序分量来执行。作为对此的反应，将不对称的电流份额馈入到供电网中，以便由此至少部分地补偿检测到的不对称性。在此提出：馈入所述不对称的电流份额进行成，使得馈入单元在所谓的负序(英文为negative sequence)的范围中如耗电器那样表现。目的明确地馈入不对称的电流份额、即目的明确地不对称地进行馈入在此通过相应地限定所述耗电器来进行。该解决方案基于如下思想：将馈入单元的表现理解为供电网的一部分并且在供电网的整体表现中进行考虑。

优选地，耗电器描述为阻抗Z^-并且经由如下方程式确定：

阻抗Z^-因此通过额定阻抗Z_n、调节相角和标量调节因子k^-的值来描述。

额定阻抗Z_n的值能够通过如下方程式确定：

$Z_n=\frac{V_n^2}{S_n}$

因此，阻抗Z_n的所述值根据电网电压V_n并且根据馈入的视在功率S_n来计算，所述电网电压以平方的方式进入分子，所述视在功率在此进入商的分母。纯预防性地，要指出的是：为了更好地说明，将Z_n称作为额定阻抗的值。实际上，阻抗Z ^-的值当然也与调节因子k^-和调节相角相关。

因此，经由调节因子k^-和调节相角能够调节进而能够根据需要预设负阻抗的大小。此外提出，根据需要预设调节相角。因此，进一步地，例如不仅提出电抗、即具有90°或-90°的调节相角的阻抗，其中除了幅值之外也根据需要调节角度。

根据一个实施方式提出，根据至少一个电网特性来调节阻抗的调节因子k^-和调节相角因此，所述阻抗的预设或调节不仅仅面向供电网中的当前的状态，所述供电网原则上也简化地称作为电网，而是也考虑电网特性，即供电网的特性。电网中的电压大小、当前的不对称性或还有电网中的干扰是电网状态的示例。供电网的无功电阻与有功电阻的比值、也称作为X/R比值是电网特性的示例。这些和其他的电网特性尤其能够视作为与电网连接点相关。因此，这种电网特性规则地也与电网连接点的地理位置相关，在任何情况下都与所观察的供电网相关。

因此提出，超出对当前的电网状态的观察，也将电网特性包含在内。

优选地，在0-90°的范围中设定调节相角其中在电网连接点处供电网的无功电阻与有功电阻的比值越大，即X/R比值越大，就将所述调节相角设定得越大。在X/R比值大、例如在10-15的范围中的情况下，将调节相角设定到90°附近。如果该比值更小并且例如为了提出一个示例而具有大约为2的数值，那么能够提出在50-60°的范围中进行调节。因此，除了电网中的状态之外，能够将也可为电网特征的所述电网特性考虑进来。

优选地，供电网的等效电路图针对馈入点建立并且用作为调节耗电器、尤其是阻抗的基础。特别地，根据所确定的等效电路图对调节因子k^-和调节相角进行调节。尤其应当描述重要的电网特性的这种等效电路图也能够在电网连接点处或关于电网连接点一次地或至少很少数次地建立。描述电网特性的所述等效电路图因此如所描述的电网特性那样不经受改变或仅经受小的改变。电网特性与电网状态相比至少原则上更少地或者更慢地变化。

优选地，通过如下方式检测供电网的不对称性：检测或确定供电网中的电压的电网负序分量。因此，三相的电压被检测并且根据对称分量法分解成正序和负序。为了完整性，要指出的是，在对称分量法的理论中同样包含的零序通常可忽略。因此，能够以简单的方式和方法经由观察负序分量来考虑不对称性。此外或附加地，根据一个实施方式提出，将不对称的电流份额作为负序分量预设或者馈入。因此，将负序分量不仅用于测量、而且也用于具体地馈入或者至少为馈入进行预设。

优选地，将逆变器用作为馈入单元。馈入单元至少包括这种逆变器并且也将所述逆变器决定性地用于馈入。通过应用这种馈入单元，可能的是，在考虑电网要求的情况下，将以可再生的方式生成的电能馈入到供电网中。通过这种逆变器，能够对要馈入的电流基本上任意地按照值、频率和相位还有动态地进行调节。由此，能够为作为馈入单元的逆变器作为特性预设作为耗电器或者阻抗的期望的表现。

优选地，所提出的方法也包含：检查在供电网中是否存在不对称的电网干扰。在此，对于没有检测到不对称的电网干扰的情况提出如在上述实施方式中的至少一个实施方式中描述的那样进行不对称的馈入。因此，如果不存在不对称的电网干扰，那么馈入单元如耗电器那样、尤其如阻抗那样表现。因此，描述的所述方法尤其设为用于考虑、尤其改进电的供电网的正常运行中的电网质量。

根据一个实施方式，馈入到中压电网中并且对此将调节相角设定到在40°-70°、尤其50°-60°的范围中的数值上。尤其对于中压电网，能够考虑相对小的X/R比值，所述X/R比值例如能够位于2的范围中。因此提出，设定相应的阻抗，所述阻抗通过所提出的调节相角与在应用其他的调节相角、尤其是更大的调节相角的情况下相比更好地匹配于这种中压电网的特性。

此外，提出一种用于馈入从风能中获取的电能的风能设施，所述风能设施准备用于应用根据上述实施方式中的至少一个实施方式的方法。特别地，这种用于馈入的风能设施具有逆变器作为馈入单元。

通过逆变器或其他的馈入单元，进行反向电流份额的馈入进而预设负序的阻抗。

附图说明

下面，示例性地根据实施例参考所附的附图详细阐述本发明。

图1示出风能设施的立体图。

图2a至2c说明不对称的电流馈入的设计。

图3说明根据一个实施方式所提出的馈入方法。

具体实施方式

图1示出风能设施100，所述风能设施具有塔102和吊舱104。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的转子106。转子106在运行中通过风置于转动运动进而驱动吊舱104中的发电机。

参考附图2a、2b和2c阐述下述内容。

电压(和电流)的基本频率通过相量以对称分量描述：

并且如常见的那样变换成：

$\left|\begin{array}{c}{\underset{\‾}{V}}_0\\ {\underset{\‾}{V}}_{+}\\ {\underset{\‾}{V}}_{-}\end{array}\right|=\frac{1}{3}\left|\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& e^{j^2/3^{\mathrm{\π}}}& e^{j^4/3^{\mathrm{\π}}}\\ 1& e^{j^4/3^{\mathrm{\π}}}& e^{j^2/3^{\mathrm{\π}}}\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}{\underset{\‾}{V}}_a\\ {\underset{\‾}{V}}_b\\ {\underset{\‾}{V}}_c\end{array}\right|.$

也用作为不对称性的度量的不对称度通过负序或零序相量与正序相量的幅值的比值来说明：

V_-/_V+或者V₀/V₊。

电网耦合的逆变器能够通过关于基本频率和(准)静态运行条件的典型的(时间和状态相关的)等效物来说明。可用于逆变器的非隔离的运行条件的选项是阻抗等效物(图2a)。由于测试功率系统中的变压器的向量组，零序等效物对于运行的逆变器不是重要的。正序阻抗通过逆变器FACTS控制结构的标准功率控制层面来确定；负序阻抗通过附加的ACI控制装置来控制(图2c)。

这两个系统分量阻抗同时影响物理性能。这两个系统分量阻抗与实际的系统分量端子电压和实际的幅值和与逆变器的电流的关联相关，这对于正序和负序彼此无关地受控(图2b)。阻抗的负的实部显示出：将有功功率馈入到电网中，并且对于无功功率，这相应地显示出负的虚部。该陈述的说明限制于逆变器的未分离的运行状态。

关于系统分量电压的幅值，逆变器和电网之间的功率交换在正常运行状态期间完全由正序占优。因此，正序阻抗在正常运行状态期间能够作为实际的总逆变器功率和实际的正序端子电压的结果说明。

通过独立的ACI考虑规定的负序阻抗通过负序逆变器电流取决于实际的负序端子电压来达到。这功能上实现附加的ACI控制模式，所述ACI控制模式因此属于应用的逆变器控制装置的结构的功率控制层面(图2右侧)。向量控制装置如常见的那样控制用于PWM控制的输入信号。

从英文术语“Asymmetrical Current Injection，不对称电流注入”中导出的缩写ACI代表不对称的电流馈入。纯预防性地，要指出的是，FACTS代表英文的还有德文中的本领域常用的术语“Flexible ACTransmission System，柔性交流输电系统”。

因此，图2a说明根据一个实施方式将逆变器2的控制通过如下方式划分：将所述控制划分成正序(英文为positive sequence)的份额4的控制和馈入和负序(英文为negative sequence)的份额6的控制进而馈入。因此，对于正序控制阻抗Z ⁺，所述阻抗的实部是负的，所述阻抗能够通过变量I ⁺ V ⁺来限定。相应地，负序应用阻抗Z ^-进而电变量I ^- V ^-。

这两个阻抗Z ⁺和Z ^-的意义在图2b的图表中在复平面中说明。

图2c以部分地作为方框图示出的电路图说明根据一个实施方式的馈入的执行。

在三相供电网8处，在测量位置10处检测全部三相的电压v(t)并且输送给分解块12，所述三相供电网的相用字母a、b和c表示。分解块12将这样检测到的三相系统分解成电压的正序分量v⁺和电压的负序分量v^-。将结果经由确定如无功功率Q的需求值的另一计算块14并且连同电压的正序和负序分量一起传递给馈入预设块16。然后，馈入预设块16确定要馈入的电流的要馈入的正序份额和负序份额并且对此分别确定用于正序电流和负序电流的d和q份额。这也能够简要地通过d-、q-、d+和q+来说明。关于中间回路电压Vdc的信息也能够流入到馈入预设块16中。计算块14并且尤其馈入预设块16因此形成功率控制块18。

将从功率控制块18中、尤其在馈入预设块16中确定的数值传递给向量控制块20，所述向量控制块在负序块22或正序块24中确定用于控制相应的要馈入的相的相应的向量。此外，负序块22和正序块24与分解块12交换信息。对此，转换块26将要馈入的电流的正序和负序的两个向量转换成要馈入的相电流的具体的预设并且将所述信息提供给相块28a、28b或28c。块26对此根据如下计算确定各个电流i_aref、i_bref或i_cref：i_aref＝i-_aref+i+_aref+；i_bref＝i-_bref+i+_bref或者i_cref＝i-_cref+i+_cref。将其继续提供给逆变器块32中的公差带控制块30a、30b或30c。随后，公差带控制块30a、30b或30c经由已知的公差带控制装置执行对逆变器34的逆变器桥的具体的操控并且在此能够考虑实际电流i(t)。

在图3中示出作为用于根据一个实施例进行控制的起始点的供电网15。电网50尤其经由测量装置作用于非常普遍的控制装置，所述控制装置作为电网控制块52绘制。所述普遍的电网控制装置为了调节阻抗Z ^-能够为调节因子k^-或和调节相角或预设数值。脚注AB在此表示电网50的正常的运行状态，即不存在电网干扰的运行状态。但是，能够存在一定的不对称性。

图3也显示出：当存在不对称的干扰时，为调节因子k^-或设定固定数值、例如数值2。在该情况下，为调节相角或预设为90°的绝对值。为英文表述“Voltage Negative Sequence Reactance，电压负序电抗”的缩写的脚注VNSR在此对于干扰情况表示为电压负序预设电抗。因此，对于电网中的不对称的错误的所述情况，不应用可变的调节相角而是将纯的无功电阻设作为耗电器。

逆变器控制块54相应地控制逆变器2。逆变器2在此对应于图2a的逆变器并且用于逆变器控制块54的附图标记54也在图2a中应用。但是，图2a和图3是示意图并且能够在细节方面存在不同。

如在图3中说明的那样通过逆变器控制块54控制逆变器2包含若干控制过程，并且就此也参考在图2c中阐述的控制。但是，为了说明阻抗的预设的方面，图3就此仅说明调节因子k^-和调节相角传递给或作用于逆变器2。但是，逆变器控制装置不限制于所述数值的预设。

通过虚线的箭头也显示出逆变器输出端56处存在的变量或逆变器2对逆变器控制块54进而对逆变器控制装置的可能的反作用。最后，逆变器2将要馈入的、三相的、不对称的电流在其逆变器输出端56处输出并且将其经由示例性地示出的变压器58在电网连接点60处馈入到电网50中。

Claims (12)

1.一种用于将电能馈入到电的三相供电网(8)中的方法，所述方法包括如下步骤：

-将电流借助于馈入单元(2)在电网连接点(60)处馈入；

-检测所述供电网(8)中的不对称性、尤其是所述供电网(8)中的负序分量；

-将不对称的电流份额馈入到所述供电网(8)中，以用于至少部分地补偿检测到的所述不对称性，其中实施馈入所述不对称的电流份额，使得所述馈入单元(2)对此如耗电器(6)那样表现。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述耗电器在负序(6)中描述为具有如下关联关系的阻抗Z^-：

其中Z_n表示阻抗的值,表示调节相角并且k^-表示标量的调节因子。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据至少一个电网特性来设定所述阻抗的所述调节因子k^-和/或所述调节相角

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在0-90°的范围中设定调节相角其中在所述电网连接点处所述供电网的无功电阻与有功电阻的比值(X/R比值)越大，就将所述调节相角设定得越大。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针对所述馈入点(10)建立所述供电网(8)的等效电路图，并且根据所建立的所述等效电路图来设定所述耗电器(6)和/或描述所述耗电器(6)的阻抗，特别地，根据所建立的所述等效电路图来设定所述调节因子k^-和/或调节相角

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过如下方式检测所述不对称性：检测所述供电网(8)中的电压的负序分量(V^-)和/或将所述不对称的电流份额作为负序分量馈入。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述馈入单元(2)是逆变器(2)或包括逆变器(2)。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检查在所述供电网(8)中是否存在不对称的电网干扰，并且其中如果没有检测到不对称的电网干扰，那么进行不对称的馈入，使得所述馈入单元(2)如耗电器(6)那样表现。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其特征在于，馈入到中压电网中，并且对此将所述调节相角设定到在40-70°、尤其50-60°的范围中的数值上，和/或为所述调节因子k^-设定在0至10的范围中的数值。

10.一种用于将从风能中获取的电能馈入到电的供电网(8)中的风能设施(100)，所述风能设施准备用于应用根据上述权利要求中任一项所述的方法。

11.根据权利要求9所述的风能设施(100)，其特征在于，为了馈入，存在作为馈入单元(2)的逆变器(2)。

12.一种用于将电能馈入到电的供电网(8)中的逆变器(2)，所述逆变器准备用于应用根据权利要求1至9中任一项所述的方法并且尤其与风能设施一起运行。