CN107408894B - 用于风力涡轮机转换器系统的dc链路参考电压确定 - Google Patents

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Abstract

提供了一种设置风力涡轮机转换器系统的参考DC链路电压的方法。从至少一个发电机侧逆变器接收至少一个DC电压需求，并且从至少一个电网侧逆变器接收至少一个DC电压需求。基于从至少一个发电机侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定发电机侧DC电压需求值。此外基于从至少一个电网侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定电网侧DC电压需求值。选择发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值中的最高DC电压需求值。这个选择的值对应于设置的参考DC链路电压。

Description

用于风力涡轮机转换器系统的DC链路参考电压确定
技术领域
本发明涉及控制风力涡轮机转换器的领域，更具体而言，涉及一种为风力涡轮机转换器设置参考DC链路电压的方法。
背景技术
DE 102008034532涉及一种控制双馈感应发电机(DFIG)的转换器的方法，其中DC链路电压被设置为使得由电网侧逆变器接收的DC电压高于公用电网电压，并使得遵从发电机侧逆变器的最大允许DC电压。
发明内容
根据第一方面，提供了一种设置风力涡轮机转换器系统的参考DC链路电压的方法，其中，所述风力涡轮机转换器系统包括通过DC链路电耦合的至少一个发电机侧逆变器和至少一个电网侧逆变器。该方法包括从至少一个发电机侧逆变器接收至少一个DC电压需求，并且从至少一个电网侧逆变器接收至少一个DC电压需求，并基于从至少一个发电机侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定发电机侧DC电压需求值，以及基于从至少一个电网侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定电网侧DC电压需求值。该方法包括相关于发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值来设置参考DC链路电压，其中设置参考DC链路电压包括从发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值中选择最高DC电压需求值。设置参考DC链路电压还包括基于所述最高DC电压需求值确定参考DC链路电压。
根据第二方面，一种操作风力涡轮机转换器系统的方法，所述风力涡轮机转换器系统包括至少一个发电机侧逆变器和至少一个电网侧逆变器，以及将所述至少一个发电机侧逆变器与所述至少一个电网侧逆变器耦合的 DC链路。当风力涡轮机转换器系统工作时，在DC链路中存在DC链路电压。通过借助建立进入或流出DC链路的净功率流而减小参考DC链路电压与当前DC链路电压之间的偏差，将DC链路电压控制为遵从相关于第一方面确定的参考DC链路电压。净功率流是在发电机侧逆变器流入DC链路的功率和在电网侧逆变器流出DC链路的功率之间的差。
根据第三方面，提供了一种风力涡轮机转换器系统。风力涡轮机转换器系统包括转换器和转换器控制器。所述转换器包括至少一个电网侧逆变器和至少一个发电机侧逆变器。所述转换器控制器包括发电机侧转换器控制器和电网侧转换器控制器，发电机侧转换器控制器被布置为：
从至少一个发电机侧逆变器接收至少一个DC电压需求，
基于从至少一个发电机侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定发电机侧DC电压需求值。
电网侧转换器控制器被布置为：
从至少一个电网侧逆变器接收至少一个DC电压需求，
基于从所述至少一个电网侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定电网侧DC电压需求值。
电网侧转换器控制器或发电机侧转换器控制器起主转换器控制器的作用。主转换器控制器被布置为设置参考DC链路电压，其中主转换器控制器被布置为：
从发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值中选择最高DC电压需求值，
当设置参考DC链路电压时，基于所述最高DC电压需求值来确定参考 DC链路电压。
根据第四方面，提供了一种配备有根据第三方面的转换器系统的风力涡轮机。
本发明的总体描述以及其可选实施例的总体描述
根据第一方面，提供了一种设置风力涡轮机转换器系统的参考DC链路电压的方法。参考DC链路电压例如是要实现的DC链路中的DC电压的目标值。DC链路电耦合风力涡轮机转换器系统包括的至少一个发电机侧逆变器和至少一个电网侧逆变器。具有并联连接的发电机侧逆变器和电网侧逆变器的转换器，其正电压输出和负电压输出由单个DC链路耦合，以及仅具有由DC链路耦合的一个发电机侧逆变器和一个电网侧逆变器的转换器也被称为“单串”转换器。至少一个发电机侧逆变器通常是整流器，其包括有源半导体开关元件，例如耦合到风力涡轮发电机的三相电流输出的IGBT 开关。相对于参考DC链路电压，至少一个发电机侧逆变器将从发电机接收的可变频率AC输入电流转换为馈送到转换器系统的DC链路的DC电流。同样相对于参考DC链路电压，DC链路将从至少一个发电机侧逆变器接收的DC电流馈送到至少一个电网侧逆变器。电网侧逆变器将该DC电流转换为要馈送到电网的固定频率AC电流。该AC电流为例如50Hz或60Hz的 AC电流。
该方法包括从至少一个发电机侧逆变器接收至少一个DC电压需求。由于诸如风的风速或迎角等的可变风力条件和电网的可变条件，DC链路电压不是恒定的或预定的，而是围绕目标值波动。为了考虑这些可变条件，必须根据这些条件调整参考DC电压值，并且还要遵从风力涡轮机转换器系统的转换约束。
由发电机侧逆变器进行的从可变频率AC输入电流到DC电流的转换操作，例如受通过半导体开关的最大允许电流的限制。因此，至少一个发电机侧逆变器(一般也对于逆变器)的输出电流也受到限制。由于这种限制，通过DC链路馈送到至少一个电网侧逆变器的最大有功输出功率也受到限制，因为通过DC链路馈送到电网侧逆变器的有功功率被定义为P＝U*I，其中U是DC链路电压，并且I是至少一个发生器侧逆变器的总输出电流。
因此，响应于发电机侧逆变器的瞬时温度或在发电机侧逆变器上的瞬时电流流动，发电机侧逆变器要求例如更高或更低的DC链路电压，以防止其部件损坏并且实现例如由风力涡轮机控制器提供给风力涡轮机转换器系统的有功功率目标。
所述方法还包括从所述至少一个电网侧逆变器接收至少一个DC电压需求。电网侧逆变器的DC电压需求，例如，由逆变器的转换操作的输出电流约束与提供给逆变器的给定的有功或无功功率目标及可变电网条件(例如在电网侧逆变器的输出的波动端电压)给出的约束的组合得出。
为了能够将某一相的电压和电流馈入电网，DC链路电压必须高于瞬时电网电压。否则，电流将开始从电网流向风力涡轮发电机，而不是从风力涡轮发电机流向电网。
至少一个电网侧逆变器的DC电压需求和至少一个发电机侧逆变器的 DC电压需求通常由于(多个)电网侧逆变器和发电机侧逆变器必须遵从不同约束而不同。
为了考虑从至少一个发电机侧逆变器接收的可能不同的DC电压需求，基于从至少一个发电机侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定发电机侧DC电压需求值。相应地，基于从至少一个电网侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定电网侧DC电压需求值。
在一些实施例中，确定发电机侧DC电压需求值包括对从(多个)发电机侧逆变器接收的DC电压需求值求平均值，以及确定电网侧DC电压需求值包括对从(多个)电网侧逆变器接收的DC电压需求值求平均值。
如果风力涡轮机转换器系统包括多于一个逆变器，则例如对从这些逆变器接收的DC电压需求求平均值以获得发电机侧或电网侧DC电压需求值。
如果风力涡轮机转换器系统仅包括一个电网侧逆变器和一个发电机侧逆变器，则例如对从相同逆变器以一定时间间隔接收的DC电压需求求平均值，以获得发电机侧或电网侧DC电压需求值。
替代地，如果风力涡轮机转换器系统仅包括一个电网侧网逆变器和一个发电机侧逆变器，则各发电机侧/电网侧逆变器的DC电压需求对应于发电机侧/电网侧DC电压需求值，而无需任何随时间求平均值。
在确定发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值之后，设置参考DC链路电压。
设置参考DC链路电压包括从发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值中选择最高DC电压需求值。然后基于所述最高DC电压需求值确定参考DC链路电压。
因此，根据哪个DC电压需求值较高，参考DC链路电压对应于例如发电机侧DC电压需求值或电网侧DC电压需求值。
如上所述设置参考DC链路电压使风力涡轮机转换器的有功/无功功率输出最大化。
所选择的最高DC电压需求值例如被设置为参考DC链路电压，但是如果参考DC链路电压高于由逆变器控制器控制的逆变器的给定最大DC电压阈值或低于逆变器的给定最小DC电压阈值，则受到被施加该参考DC链路电压的逆变器的逆变器控制器限制。
然后将参考DC链路电压的受限值设置为新的参考DC链路电压。由于初始参考DC链路电压的值(限制之前)为发电机/电网侧的DC电压需求值，所以新的参考DC链路电压仍然基于所选择的发电机侧或电网侧DC电压需求值。
在一些实施例中，转换器系统包括至少两个转换器串。在这些实施例中，从相应的第一转换器串和第二转换器串的至少一个发电机侧逆变器接收至少一个DC电压需求。此外，从相应的第一转换器串和第二转换器串的至少一个电网侧逆变器接收至少一个DC电压需求。
如上所述，第一转换器串和第二转换器串的至少一个发电机侧逆变器的DC电压需求和至少一个电网侧逆变器的DC电压需求是例如从风力涡轮机控制器接收的有功/无功功率生产目标和上述约束的组合的结果。
基于第一转换器串的发电机侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定第一转换器串的发电机侧DC电压需求值。另外，基于第一转换器串的电网侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定第一转换器串的电网侧DC电压需求值。例如，如上对单串转换器所述，确定第一串的发电机侧DC电压需求值以及电网侧DC电压需求值。此外，基于第一转换器串的电网侧DC电压需求值和发电机侧DC电压需求值确定第一转换器串的DC电压参考值。
同样地，基于第二转换器串的发电机侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定第二转换器串的发电机侧DC电压需求值。另外，基于第二转换器串的电网侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定第二转换器串的电网侧DC 电压需求值。同样，如上对单串转换器所述，可以确定第二串的这些发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值。此外，基于第二转换器串的电网侧DC电压需求值和发电机侧DC电压需求值确定第二转换器串的DC 电压参考值。
第一转换器串和第二转换器串的DC电压参考值可以是不同的，因为第一转换器串和第二转换器串的发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器的半导体开关例如由于风力涡轮机控制器对两个串的不同输出要求而被有意地不同致动。
然而，第一串的逆变器的总电流输出也可以与第二串的反相器的总电流输出不同，尽管各个串的逆变器遵从相同的开关模式。这可以是由于第一转换器串或第二转换器串的至少一个逆变器的半导体开关的制造缺陷而导致的情况。例如，可以由将串的瞬时设置的DC电压参考与转换器串DC 链路的实际DC电压进行比较的控制回路来为两个转换器串不同地确定DC 电压参考。因此，第一转换器串和第二转换器串的DC电压参考值于是不同，以便补偿半导体开关的这些制造缺陷。
使用所确定的第一转换器串和第二转换器串的DC电压参考值来设置参考DC链路电压。
在具有至少两个转换器串的实施例中，在用于所有转换器串的公共DC 链路的情况下，参考DC链路电压是例如公共DC链路的DC电压的目标值。
在具有具有分离的DC链路的转换器串的实施例中，即，一个DC链路用于每一各自发电机侧逆变器和电网侧逆变器的集合，参考DC链路电压例如是转换器串的每个分离的DC链路的目标值。具有分离的DC链路的这些转换器串例如并联电连接。
类似于如上对于单串转换器所述的示例，设置的DC链路参考电压对应于例如第一转换器串的DC电压参考、第二转换器串的DC电压参考或这两个DC电压参考的组合。
在一些实施例中，确定相应的第一转换器串和第二转换器串的DC电压参考值包括从相应的第一转换器串和第二转换器串的电网侧DC电压需求和发电机侧DC电压需求中选择最高DC电压需求。
如果相应串的电网侧逆变器比相应串的发电机侧逆变器要求更高的 DC链路电压，以便能够将一定量的有功功率馈送到电网中，并且该DC链路电压对于发电机侧逆变器是允许的，则电网侧逆变器要求的DC链路电压例如被选择为相应串的DC电压参考。
如上例如单串转换器系统所述的，例如从特定转换器串的发电机侧逆变器的平均需求以及电网侧逆变器的平均需求中选择最高DC电压需求作为该转换器串的DC电压参考值确保了转换器串的最大功率输出。
在一些实施例中，确定转换器串的DC电压参考值包括响应于转换器串值的DC电压参考值高于转换器串的给定最大DC电压阈值或低于给定最小 DC电压阈值来限制转换器串的DC电压参考值。
如果例如则相应转换器串的一个逆变器的故障将不能应对该DC电压参考值，则转换器串的DC电压参考值例如高于给定最大DC电压阈值。例如，DC电压参考值可能会很高，以至于转换器串的发电机侧逆变器，即整流器不能产生这样的DC高电压，或者这样的高DC电压会导致流过电网侧逆变器半导体开关的电流将导致这些开关的损坏。
如果转换器串的DC电压参考值低于给定最小DC电压阈值，例如，则与电网耦合点处(例如在风力涡轮机变压器处)的AC电压高于转换器串的参考DC电压。如果选择了转换器串的这个DC电压参考值，这可能会导致不希望有的电流从电网向发电机流动。此外，在这种情况下，没有电流由风力涡轮机馈送到电网中。
通过限制转换器串的DC电压参考值，当这些转换器串相关的参考值用于基于第一转换器串和第二转换器串的这些DC电压参考值设置参考DC链路电压时，确保它们在转换器串操作的允许范围内。
串的DC电压参考值的限制例如通过将相应转换器串的DC电压参考设置为相应转换器串的最大允许DC电压值来实现。该最大允许值主要由转换器串部件的电压和电流容限确定。
在一些实施例中，设置参考DC链路电压包括选择所确定的第一参考转换器串和第二参考转换器串的DC电压参考值的最高DC电压参考值。
例如，选择相应的第一转换器串或第二转换器串的DC电压参考值之一作为参考DC链路电压。为了确保包括这些转换器串的风力涡轮机的转换器系统的最大有功/无功功率输出，选择转换器串的最高DC电压参考值作为参考DC链路电压。
例如由风力涡轮机的主转换器控制器完成将至少两个第二转换器串的 DC电压参考值中的最高DC电压参考值选择为对应于参考DC链路电压的值。
主转换器控制器例如是转换器串控制器，例如转换器串的电网侧或发电机侧转换器控制器。转换器串控制器又例如是从风力涡轮机控制器直接接收命令和目标，并导出与其自身相关联的串和其它转换器串的电气操作目标和参数的控制器。
在一些实施例中，响应于参考DC链路电压高于给定最大DC电压阈值或低于给定最小DC电压阈值，由风力涡轮机的转换器控制器限制参考DC 链路电压。
DC链路参考电压例如由不能应对该DC链路参考电压的逆变器的控制器限制，因为该DC链路参考电压对于该逆变器来说过高或过低，即超过给定最大阈值或低于给定最小阈值。执行这种限制的该逆变器控制器例如是任何逆变器控制器，或者仅仅被设置为接收并执行来自主转换器控制器的命令的逆变器控制器，即从转换器控制器，或者被设置为主控制器自身的逆变器控制器。
例如，不能应对所选择的DC链路参考电压的逆变器控制器将DC链路参考电压设置为该逆变器允许的最高或最低值DC电压电平。
因此，相应转换器串的其他逆变器的发电机侧/电网侧DC电压需求或转换器串的DC电压参考值至少部分地由所产生的参考DC链路电压反映，但是至少遵从参考DC链路电压是临界的逆变器的功率产生约束。
在一些实施例中，第一转换器串和第二转换器串的发电机侧逆变器串联连接，第一转换器串和第二转换器串的电网侧逆变器串联连接。第一转换器串和第二转换器串的电网侧逆变器的串联连接与第一转换器串和第二转换器串的发电机侧逆变器的串联连接各自形成中性连接点。
更具体地，例如通过电连接第一转换器串的发电机侧逆变器的负DC 电平输出与第二转换器串的发电机侧逆变器的正DC电平输出来建立第一转换器串和第二转换器串的发电机侧逆变器的串联连接以形成中性连接点。同样地，电连接第一转换器串和第二转换器串的电网侧逆变器的正和负DC电平输入以形成另一个中性连接点。
中性连接点例如由中心连接线彼此连接。发电机侧逆变器的串联连接和电网侧逆变器的串联连接例如通过正DC电平导体和负DC电平导体彼此耦合。因此，第一转换器串的发电机侧逆变器的正DC电平输出和电网侧逆变器的正DC电平输入由正DC电平导体连接，第二转换器串的发电机侧逆变器的正DC电平输出和电网侧逆变器的负DC电平输出由负DC电平导体连接。例如，中心连接线、正DC电平导体和负DC电平导体实现为铜电缆。
在如上所述的提供用于具有串联连接的不同转换器串的电网侧逆变器和发电机侧逆变器的布置的风力涡轮机的方法的一些实施例中，第一转换器串的参考DC电压电平例如为正DC电平导体和中心连接线之间的参考 DC电压。在这些实施例的一些中，第二转换器串的参考DC电压电平例如是负DC电平导体和中心连接线之间的参考DC电压。
例如，第一转换器串和第二转换器串由连接到串的相应发电机侧逆变器的单独的发电机绕组耦合到发电机。在电网侧，第一转换器串和第二转换器串例如耦合到变压器，从而由单独的次级变压器绕组耦合到电网。
在将该方法应用于这样的转换器装置的实施例中，如果正DC电平导体与中心连接线之间的电压的绝对值和中间连接线与负DC导体之间的电压的绝对值不相等，则补偿电流将沿着中心连接线流动。
因此，例如，如果第一转换器串的DC电压电平为+1kV，并且第二转换器串的电压电平为-1.2kV，则由200V驱动的净补偿电流将沿着中心连接线流动。
然而，在一些实施例中，在风力涡轮机转换器系统的标准操作条件下，正DC电平导体与中心连接线之间的电压的绝对值和正DC电平导体与中心连接线之间的电压的绝对值相等。
在标准操作条件下，第一转换器串和第二转换器串完全同步地操作，这不会导致上述补偿电流。在标准操作条件下，由例如主转换器控制器从串所要求的有功/无功功率目标是相同的。在这些实施例中，用于第一串和第二串的DC电压参考例如相同，因此参考DC链路被简单地设置为两个串的绝对值相同的DC电压参考值。
在一些实施例中，参考DC链路电压是正或负DC电平导体与中心连接线之间的电压电平的绝对值。
从而在这种标准操作条件下正确地设置DC链路电压。
如上所述，转换器串的DC电压参考值例如通过从相应转换器串的发电机侧需求值和电网侧需求值的绝对值中选择最高值来确定。由于电网侧逆变器和发电机侧逆变器在这些实施例中完全同步地操作，所以不太可能电网侧和/或发电机侧逆变器的需求以及由此产生的相关的发电机侧和电网侧需求值在两个串不同。
然而，尽管对它们施加了相同的参考DC电压或其他目标值，但是在第一转换器串的转换操作的执行不同于第二转换器串的转换操作的意义上，也可能发生偏离标准操作条件。这可以由于例如在转换器串的电网侧和/或发电机侧逆变器中集成的半导体开关的制造差异引起。
在第一转换器串的发电机侧或电网侧逆变器以比第二转换器串的发电机侧或电网侧逆变器略大的电流脉冲(产生略高的电流量)执行转换操作的情况下，例如，尽管向转换器串提供相同的参考DC电压值，但是如上所述的补偿电流通过中心连接线流动。
例如，为第二转换器串的转换器串控制器提供较高的参考DC电压，以便调节第二转换器串的发电机侧/电网侧逆变器的开关行为，使得可以实现第二转换器串中较高的电流流动。第二转换器串的参考DC电压增大，使得沿着中心连接线流入第二转换器串的电流和沿着中心线连接线的流入第一转换器串的电流彼此抵消。
这种示例性行为补偿中心线中的补偿电流，但是将不相等的DC电压参考值引入到两个转换器串。
根据本文所述的方法的一些实施例，选择两个串的DC电压参考值中的的最大DC电压参考值作为参考DC链路电压。
在上面提供的示例中，相应地选择第二转换器串的DC电压参考值作为参考DC链路电压。
当将该参考DC链路电压施加到两个转换器串时，由于第一串和第二串的逆变器的开关行为的差异，在此引入沿着中心连接线的补偿电流，因为由第一转换器串产生的实际电流由于其略大的电流脉冲而再次较高。然而，通过减小第一转换器的电流脉冲的长度，可以使第一和第二上的实际电流流动再次相等，以补偿沿中心连接线流动的补偿电流。电流流动于是相等，但DC链路中的电压根据设置的参考DC链路电压而增加。因此，补偿了沿中心连接线的电流，并且增加转换器的功率输出。
在一些实施例中，转换器串的电网侧逆变器彼此并联电连接，并且转换器串的发电机侧逆变器彼此并联电连接。由此，转换器串的发电机侧逆变器和转换器串的电网侧逆变器可转换的总电流量增加。
在一些实施例中，确定第一转换器串和第二转换器串的DC电压参考值包括对并联电耦合的电网侧逆变器的DC电压需求求平均值，并对并联电连接的发电机侧逆变器的DC电压需求求平均值，以获得相应的第一转换器串和第二转换器串的相应的电网侧DC电压需求值和发电机侧DC电压需求值。
因此，例如，对于每个转换器串，确定并联电连接的电网侧逆变器的 DC电压需求的均方根或平均值，以获得转换器串的电网侧DC电压需求值。同样，例如，确定并联电连接的发电机侧逆变器的DC电压要求的均方根或平均值，以获得转换器串的发电机侧DC电压需求值。
发电机侧/电网侧逆变器DC电压需求的平均减轻了可能的“失控”需求的影响，其可能导致在确定转换器串的DC电压需求时过高或过低的DC 链路参考电压。
确定第一转换器串和第二转换器串的相应DC电压参考还包括从相应转换器串的发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值中选择最高 DC电压需求值。
通过进行该选择，将导致每个转换器串的可能的较高有功/无功功率产生的需求选择为相应转换器串的DC电压参考值。
如上所述，例如，在可能的限制之前，选择第一转换器串和第二转换器串的DC电压参考值的最高DC电压参考绝对值作为转换器系统的参考 DC链路电压。例如，在上述实施例中，如果对应于正DC电平导体和中心连接线之间的电压的第一串的DC电压参考值为+1000V，对应于负DC电平导体和中心连接线之间的电压的第二串的DC电压参考值为-1100V，则将参考DC链路电压的绝对值设置为1100V。
根据第二方面，提供了一种操作风力涡轮机转换器系统的方法。风力涡轮机转换器系统包括至少一个发电机侧逆变器和至少一个电网侧逆变器，及耦合至少一个发电机侧逆变器和至少一个电网侧逆变器的DC链路，其中，在DC链路中存在DC链路电压。将DC链路电压控制为遵从参考 DC链路电压。参考DC链路电压例如如结合上述示例性实施例所述的来确定。由于将DC链路电压控制为遵从参考DC链路电压，因此将DC链路电压控制为与参考DC链路电压相匹配，或至少接近参考DC链路电压。通过借助建立进入或流出DC链路的净功率流而减小参考DC链路电压与当前 DC链路电压之间的偏差来控制当前DC链路电压。在本上下文中，净功率流是指在发电机侧逆变器流入DC链路的(有功)功率和在电网侧逆变器流出DC链路的(有功)功率之间的差。
如果代表净功率流的这个差为正，则流入DC链路的(有功)功率高于流出DC链路的(有功)功率。例如，这是通过相对于至少一个电网侧逆变器的半导体开关的“接通时间”(即它们处于切换状态的时间以便将交流电流注入到电网中)，增加至少一个发电机侧逆变器的半导体开关的“接通时间”(即它们处于切换状态的时间以便将直流电流注入到DC链路中)来实现的。如果所述参考DC链路电压高于当前DC链路电压，则该正净功率流将增加DC链路电压以遵从参考DC链路电压。
同样，负净功率流降低了当前DC链路电压。例如，通过相对于至少一个发电机侧逆变器的半导体开关的“接通时间”，增加至少一个电网侧逆变器的“接通时间”来实现负净功率流。
根据第三方面，提供了一种风力涡轮机转换器系统。风力涡轮机转换器系统包括转换器和转换器控制器。转换器控制器包括发电机侧转换器控制器和电网侧转换器控制器。发电机侧转换器控制器被布置为基于从至少一个发电机侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定发电机侧DC电压需求。电网侧转换器控制器被布置为从至少一个电网侧逆变器接收至少一个DC电压需求，基于从至少一个电网侧逆变器接收的至少一个DC电压需求来确定电网侧DC电压需求值。
电网侧转换器控制器或发电机侧转换器控制器用作主转换器控制器。主转换器控制器还被布置为设置参考DC链路电压。因此，主转换器控制器被布置为从发电机侧DC电压需求值和电网侧DC电压需求值中选择最高 DC电压需求值，基于所述最高DC电压需求值来确定参考DC链路电压。
在一些实施例中，如果在发电机侧只有一个逆变器且在电网侧只有一个逆变器，则主转换器控制器从发电机侧逆变器的DC电压需求和电网侧逆变器的DC电压需求中选择最高DC电压需求作为转换器串的DC电压参考值。在只有一个发电机侧逆变器和只有一个电网侧逆变器的情况下，发电机侧DC电压需求值对应于发电机侧逆变器的需求，并且电网侧DC电压需求值对应于电网侧DC电压需求值。
如果转换器系统例如配备有用于每个串的多个发电机侧/电网侧逆变器，则例如通过分别对发电机侧逆变器的DC电压需求求平均值，并对电网侧逆变器的DC电压需求求平均值来确定发电机侧DC电压需求和电网侧 DC电压需求值。这个求均值运算例如由相应的发电机侧或电网侧转换器控制器执行。
在一些实施例中，将不是风力涡轮机的主转换器控制器的转换器控制器布置为如上所述限制由风力涡轮机控制器设置的参考DC链路电压。
在一些实施例中，风力涡轮机转换器系统被布置为执行上述任何方法。
根据第四方面，提供了一种配备有根据第三方面的风力涡轮机转换器系统的风力涡轮机。风力涡轮机包括由风力驱动的转子，该转子连接到安装在风力涡轮机塔顶上的机舱。轴将转子耦合到齿轮箱，齿轮箱耦合到由转子直接驱动的发电机。替代地，轴将转子耦合到齿轮箱，齿轮箱又耦合到发电机。
风力涡轮机的发电机侧逆变器例如被布置在风力涡轮机的机舱中，而电网侧逆变器例如布置在风力涡轮机的塔架中。因此，逆变器由沿着塔架延伸的DC链路耦合。通过实施由正DC电平导体、负DC电平导体和连接这些串联连接的中性连接点的中心连接线耦合的串联连接的电网侧逆变器和发电机侧逆变器的布置，如上所述，经由DC链路传送的DC电压量增加，从而减少实现相等功率传输所必需的电流。由此也可以增加DC导体的电阻，从而减少例如正和负DC电平导体所需的导电材料的量。如果这些导体被实现为铜电缆，则可以减少这些铜缆的直径。
此外，更少的热敏转换器部件放置在机舱中。通过将电网侧逆变器布置在风力涡轮机的塔架中，还减小了机舱的总重量，这又导致例如降低偏转轴承的磨损。
附图说明
现在还参考附图描述本发明的示例性实施例，其中，
图1示意性地例示了配备有转换器系统的风力涡轮机，转换器系统包括作为如图2所示的单串转换器系统的一部分的位于机舱中的发电机侧逆变器和位于风力涡轮机的塔架中的电网侧逆变器。
图2是具有由单个DC链路耦合的电网侧逆变器和发电机侧逆变器的单串转换器系统的电路图，
图3是确定可应用于图2的单串转换器系统的参考DC链路电压的示例性方法的方框图，
图4示意性地例示了配备有双串转换器系统的风力涡轮机，双串转换器系统具有在风力涡轮机的机舱中的发电机侧逆变器和在风力涡轮机的塔架中的电网侧逆变器，
图5是表示具有形成第一转换器串和第二转换器串的电网侧和发电机侧逆变器线的双串转换器系统的电路图，其中第一转换器串和第二转换器串由公共中心连接线耦合，
图6是示出确定可应用于图5的双串转换器系统的参考DC链路电压的示例性方法的方框图，
图7是更详细地示出了作为图6所示方法的一部分来确定转换器串的 DC电压参考的示例性方法的方框图，
图8是示出操作风力涡轮机转换器系统的示例性方法的方框图，其中 DC链路电压被控制为遵从例如如图3、图6和图7所示确定的参考DC链路电压。
附图和附图说明是本发明的示例，而非本发明本身。在整个以下具体实施方式中，相似的附图标记指代相似的元件。
具体实施方式
风力涡轮机1具有安装在塔架8顶部的机舱7。图1示意性示出的风力涡轮机1由转子11驱动，转子11例如通过齿轮(未示出)耦合到发电机2，将固定频率的电功率馈送到电网10。发电机2产生可变频率AC电流，其中AC电流的频率取决于风速。将可变频率AC电流馈送到转换器系统3，转换器系统3包括经由DC连接线6连接到至少一个电网侧逆变器5的至少一个发电机侧逆变器4。为了清楚起见，(多个)电网侧逆变器4和(多个) 发电机侧逆变器5在图1中分别由单个整流器的符号和单个逆变器的符号表示。(多个)发电机侧逆变器4位于风力涡轮机1的机舱7中，而(多个) 电网侧逆变器5位于风力涡轮机1的塔架8中。
发电机侧逆变器4对由发电机产生的可变频率交流电进行整流，所产生的DC电流经由DC连接线6传送，并且随后由电网侧逆变器5转换为固定频率的AC电流。相应地，至少一个发电机侧逆变器4由机器/发电机侧转换器控制器12控制，并且至少一个电网侧逆变器5由电网侧转换器控制器13控制。由至少一个电网侧逆变器5产生的固定频率AC功率由变压器 9馈送到电网10。
图1的示例性风力涡轮机配备有图2的示例性转换器系统。转换器系统3的发电机侧逆变器(整流器)4由发电机侧逆变器控制器12控制并耦合到发电机2以将可变频率AC电流转换为经由DC连接线6传导到电网侧逆变器5的DC电流。在电网侧转换器控制器13的控制下，该电网侧逆变器进而将DC电流转换为固定频率的AC电流。所产生的AC电流经由变压器9馈入电网10。
如图2中所示的确定单串转换器系统3的参考DC链路电压30的方法由图3的方框图表示。发电机侧转换器控制器12接收(多个)发电机侧逆变器的DC电压需求D4。如果接收到多于一个DC电压需求，则在活动S1 中对发电机侧逆变器的DC电压需求求平均值，以获得发电机侧DC电压需求值(GenSI_Uref)20。如果仅接收到发电机侧逆变器4的一个DC电压需求D4，则该需求D4对应于发电机侧DC电压需求值。相应地，基于从电网侧逆变器接收到的(多个)DC电压需求D5，电网侧DC电压需求值 (GrSI_URef)21由电网侧逆变器控制器来确定。
所确定的发电机侧电压需求值20和电网侧DC电压需求值21由系统控制单元接收，在该实施例中，是可以是电网侧转换器控制器13或发电机侧转换器控制器12的主转换器控制器。主转换器控制器12、13从发电机侧 DC电压需求值20和电网侧DC电压需求值21中选择最高需求值作为参考 DC链路电压30。
将参考DC链路电压30传送到发电机侧逆变器控制器12和电网侧逆变器控制器13，以使它们改变例如其半导体开关的开关模式，从而使得将参考DC链路电压施加到转换器系统3。如果参考DC链路电压30应该超出电网侧逆变器或发电机侧逆变器中的至少一个的允许范围，则相应的转换器控制器通过将最大或最小允许DC链路电压设置为新的参考DC链路电压 30来限制参考DC链路电压。
在图4中示出了配备有双串转换器系统3'的另一个风力涡轮机。双串转换器系统3'具有：两个转换器串、带有相应的发电机侧逆变器4和电网侧逆变器5的第一转换器串15以及对应的第二转换器串。转换器串在下文中被称为“串”。第一串和第二串的发电机侧逆变器4和电网侧逆变器5由相应的第一转换器串和第二转换器串的发电机侧逆变器控制器15a、16a以及相应的第一串和第二串的电网侧逆变器控制器15b、16b控制。
除了转换器系统之外，风力涡轮机1'与已经结合图1描述的风力涡轮机1相同。
结合图5所示的电路图进一步描述了双串转换器系统3'。具有两个单独的定子绕组的发电机2通过这些单独的定子绕组耦合到第一转换器串15 和第二转换器串16。连接到第一串(结合图5称为正串)的定子绕组将AC 功率馈送到并联电连接的正串的两个整流器4A和4B。连接到第二串(结合图5称为负串)的定子绕组将AC功率馈送到也并联电连接的负串的两个整流器4'A和4'B。正串的整流器4A和4B的AC-DC转换由正串的发电机侧逆变器控制器15a控制，而负串的整流器的AC-DC转换由负串的发电机侧逆变器控制器16a控制。正串的整流器4A、4B和负串的整流器4'A、4'B 彼此串联连接并形成中性连接点。正串的整流器4A、4B的正DC电平输出经由正DC电平导体17传送，并且第二串的整流器4'A、4'B的负DC电平输出经由负DC电平导体19传送。正串的并联整流器4A、4B与负串的并联整流器4'A、4'B的串联连接的中性连接点连接到中性中心连接线18。
将中性中心连接线18和正DC电平导体17之间的正DC电压电平施加到也并联电连接的正串的电网侧逆变器5A、5B。相应地，将中性中心连接线18和负DC电平导体19之间的负DC电压电平施加到并联电连接的负串的电网侧逆变器5A、5B。类似于发电机侧，正串的并联电网侧逆变器5A、 5B串联连接到负串的并联电网侧逆变器。正串的电网侧逆变器5A、5B和负串的电网侧逆变器5'A、5'B将分别施加到它们的正或负DC电平转换为固定频率AC输出功率。该转换操作分别由正串的电网侧逆变器控制器15b 和负串的电网侧逆变器控制器16b控制用于正串和负串。正串的电网侧逆变器5A、5B的固定频率功率输出经由第一单独的次级侧变压器绕组馈送到变压器9，而负串的电网侧逆变器5'A、5'B的固定频率功率输出经由第二单独的次级侧变压器绕组馈送到变压器9。
下面结合图6描述了确定用于双串转换器系统3'的参考DC链路电压 30'的方法。第一串的(多个)电网侧逆变器的(多个)DC电压需求D41 和第一串的(多个)发电机侧逆变器的(多个)DC电压需求D42由第一串的DC电压参考生成块40从第一串的发电机侧逆变器15a和电网侧逆变器 15b接收。在该示例中，DC电压参考生成块是第一串的转换器串控制器15 (电网侧或发电机侧转换器控制器)的一部分。在活动T1中，通过该电压参考生成块40，将第一串的电网侧DC电压需求值D41和发电机侧DC电压需求值D42中的最高DC电压需求值选择为第一串的DC电压参考值41。在图7中进一步例示并结合该图进一步描述了第一串的DC电压需求值 D41、D42的确定。
以类似的方式，在活动T2中，将第二串的电网侧DC电压需求值D41 和发电机侧DC电压需求值D42中的最高DC电压需求值选择为第二串的 DC电压参考值51。同样结合图7进一步描述了第二串的电网侧和发电机侧 DC电压参考值的确定。
第一串的DC电压参考值41和第二串的DC电压参考值42由在该示例中的由主转换器控制器15a、15b、16a、16b表示(第一串或第二串的发电机侧或电网侧逆变器控制器中的每一个可以起主转换器控制器的作用)的系统控制单元接收。将参考DC链路电压30'选择为从第一串和第二串接收的DC电压参考值41、51中的最大值。将该参考DC链路电压30'传送到DC电压参考生成块40和DC电压参考生成块50。
如果第一串的DC电压参考生成块40或第二串的DC电压参考生成块 50中的任意一个所接收的参考DC链路电压应该超出界限，因此在两个串之一的逆变器的允许操作范围之外，则其限制所接收的参考DC链路电压。如果由于DC链路参考电压超出第一串的逆变器和第二串的逆变器的界限，两个DC电压参考生成块都限制参考DC链路电压，则取决于参考DC链路电压是过低还是过高，将最高下限或最低上限选择为新的参考DC链路电压 30'。
在图7中更详细地示出了相应的第一串的DC电压需求41或第二串的 DC电压需求51的示例性确定。为了清楚起见，图6中没有示出该确定的所有活动。
在此针对第一串来示例性地描述该确定。第二串的DC电压参考值的确定以相同的方式进行，因此在此不做进一步说明。图7中的附图标记由逗号“，”分开。逗号“，”左侧的附图标记指代第一串的元件和参考值及在第一串中执行的方法，而逗号“，”右侧的附图标记指代第二串的元件和参考值及在第二串中执行的方法。没有逗号的附图标记指代在两个串上类似地执行的方法。
对应于转换器系统3'的整流器4A、4B的发电机侧逆变器A的DC电压需求和发电机侧逆变器B的DC电压需求在操作A1中被求平均值，以获得第一串的发电机侧DC电压需求值D41。确定串的发电机侧DC电压需求值的这个方法例如可以应用于图5示意性示出的相应的第一串15的并联发电机侧逆变器4A、4B或第二串16的并联发电机侧逆变器4'A、4'B。
同样地，对应于转换器系统3'的电网侧逆变器5A、5B的电网侧逆变器 A的DC电压需求和电网侧逆变器B的DC电压需求在操作A2中被求平均值，以获得第一串的电网侧逆变器的DC电压需求。该方法可以应用于例如图5中示意性示出的相应的第一串15的并联电网侧逆变器5A、5B或第二串16的并联电网侧逆变器5'A、5'B。
在以上结合图6提及的活动T1中，从第一串的发电机侧逆变器的DC 电压需求和电网侧逆变器的DC电压需求D41、D51中选择最高DC电压需求。
如果这个选择的最高DC电压需求应该超出逆变器中一个的允许DC电压范围，则在活动L1中加以限制。应将此限制理解为如果所选择的最高 DC电压需求过低或过高或过低，则将DC电压需求设置为相应的最小或最大允许值。
然后选择受限的最高DC电压需求作为第一串的DC电压参考值41。
在图8中示出了操作风力涡轮机转换器系统的示例性方法的方框图。风力涡轮机转换器系统中存在的DC链路电压被控制为遵从如上所述确定的参考DC链路电压。
由电压传感器65测量DC链路60中存在的瞬时DC电压，将其从与如结合上述示例所述确定的参考DC链路电压相同的目标电压30中减去。根据当前DC链路电压是否高于或低于目标电压30，该减法的结果是正电压差或负电压差61，即当前DC链路电压与参考DC链路电压30的偏差。基于该电压差，在活动62中确定要实现的净功率流63。如上所述，净功率流是在发电机侧逆变器流入DC链路的(有功)功率与在电网侧逆变器流出DC链路的(有功)功率之间的差。正净功率流增大了当前DC链路电压，负净功率流降低了DC链路电压。通过在活动64中调整发电机侧逆变器和电网侧逆变器的脉冲宽度调制(PWM)，在转换器系统中建立确定的净功率流63。在建立净功率流之后，由电压传感器65再次测量DC链路60中瞬时存在的DC电压，并且再次与参考DC链路电压(其可能同时发生了变化) 进行比较，以获得另一个电压差61。这些活动是连续执行的，使得当前DC 链路电压遵从目标电压30。
尽管本文已经描述了根据本发明的教导构造的某些产品，但是本申请的覆盖范围不限于此。相反，本申请涵盖了本发明的教导的所有实施例，这些实施例完全属于无论是字面上还是在等同原则下的所附权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种设置风力涡轮机转换器系统的参考DC链路电压的方法，其中，所述转换器系统的至少一个发电机侧逆变器和至少一个电网侧逆变器通过所述DC链路电耦合，所述方法包括：
从至少一个发电机侧逆变器接收至少一个DC电压需求，
从至少一个电网侧逆变器接收至少一个DC电压需求，
基于从所述至少一个发电机侧逆变器接收到的所述至少一个DC电压需求来确定发电机侧DC电压需求值，
基于从所述至少一个电网侧逆变器接收到的所述至少一个DC电压需求来确定电网侧DC电压需求值，
针对所述发电机侧DC电压需求值和所述电网侧DC电压需求值来设置所述参考DC链路电压，
其中，设置所述参考DC链路电压包括：
从所述发电机侧DC电压需求值和所述电网侧DC电压需求值中选择最高DC电压需求值，
基于所述最高DC电压需求值来确定所述参考DC链路电压；
其中，所述转换器系统包括至少两个转换器串；
其中，第一转换器串和第二转换器串的所述发电机侧逆变器串联连接，并且所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述电网侧逆变器串联连接，其中，所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述电网侧逆变器的串联连接与所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述发电机侧逆变器的串联连接均形成中性连接点，并且这些中性连接点通过中心连接线相互连接，并且其中，所述发电机侧逆变器的串联连接和所述电网侧逆变器的串联连接经由正DC电平导体和负DC电平导体相互耦合；
其中，基于所述第一转换器串的发电机侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定所述第一转换器串的发电机侧DC电压需求值，
基于所述第一转换器串的电网侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定所述第一转换器串的电网侧DC电压需求值，
基于所述第一转换器串的所述电网侧DC电压需求值和所述发电机侧DC电压需求值来确定所述第一转换器串的DC电压参考值，
基于第二转换器串的发电机侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定所述第二转换器串的发电机侧DC电压需求值，
基于所述第二转换器串的电网侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定所述第二转换器串的电网侧DC电压需求值，
基于所述第二转换器串的所述电网侧DC电压需求值和所述发电机侧DC电压需求值来确定所述第二转换器串的DC电压参考值，以及
使用所述第一转换器串和所述第二转换器串的所确定的DC电压参考值来设置所述参考DC链路电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述发电机侧DC电压需求值包括对从一个或多个所述发电机侧逆变器接收到的DC电压需求值求平均值，并且确定所述电网侧DC电压需求值包括对从一个或多个所述电网侧逆变器接收的DC电压需求值求平均值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定相应的第一转换器串和第二转换器串的所述DC电压参考值包括从相应的第一转换器串和第二转换器串的所述电网侧DC电压需求值和所述发电机侧DC电压需求值中选择所述最高DC电压需求值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定转换器串的DC电压参考值包括响应于所述转换器串的所述DC电压参考值高于所述转换器串的给定最大DC电压阈值或低于给定最小DC电压阈值来限制所述转换器串的所述DC电压参考值。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，设置所述参考DC链路电压包括从第一参考转换器串和第二参考转换器串的所确定的DC电压参考值中选择所述最高DC电压参考值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一转换器串的参考DC电压电平是所述正DC电平导体和所述中心连接线之间的参考DC电压，并且其中，所述第二转换器串的参考DC电压电平是所述负DC电平导体和所述中心连接线之间的参考电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述正DC电平导体和所述中心连接线之间的电压的绝对值与所述正DC电平导体和所述中心连接线之间的电压的绝对值在所述风力涡轮机转换器系统的标准操作条件下相等。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述参考DC链路电压是所述正DC电平导体或所述负DC电平导体与所述中心连接线之间的电压电平的绝对值。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，转换器串的所述电网侧逆变器相互并联电连接，并且转换器串的所述发电机侧逆变器相互并联电连接。
10.一种操作风力涡轮机转换器系统的方法，所述风力涡轮机转换器系统包括至少一个发电机侧逆变器和至少一个电网侧逆变器，以及将所述至少一个发电机侧逆变器与所述至少一个电网侧逆变器耦合的DC链路，其中，所述转换器系统的第一转换器串和第二转换器串的所述发电机侧逆变器串联连接，并且所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述电网侧逆变器串联连接，其中，所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述电网侧逆变器的串联连接与所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述发电机侧逆变器的串联连接均形成中性连接点，并且这些中性连接点通过中心连接线相互连接，并且其中，所述发电机侧逆变器的串联连接和所述电网侧逆变器的串联连接经由正DC电平导体和负DC电平导体相互耦合；
当所述风力涡轮机转换器系统工作时，在所述DC链路中存在DC链路电压，其中，通过借助建立流入或流出DC链路的净功率流而减小参考DC链路电压与当前DC链路电压之间的偏差，从而将所述DC链路电压控制为遵从根据权利要求1至9中的任一项所述的方法确定的参考DC链路电压，所述净功率流是在所述发电机侧逆变器处流入所述DC链路的功率和在所述电网侧逆变器处流出所述DC链路的功率之间的差。
11.一种风力涡轮机转换器系统，所述风力涡轮机转换器系统包括：
转换器和转换器控制器；
所述转换器包括：
至少一个电网侧逆变器和至少一个发电机侧逆变器，其中，所述转换器系统的第一转换器串和第二转换器串的所述发电机侧逆变器串联连接，并且所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述电网侧逆变器串联连接，其中，所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述电网侧逆变器的串联连接与所述第一转换器串和所述第二转换器串的所述发电机侧逆变器的串联连接均形成中性连接点，并且这些中性连接点通过中心连接线相互连接，并且其中，所述发电机侧逆变器的串联连接和所述电网侧逆变器的串联连接经由正DC电平导体和负DC电平导体相互耦合；
所述转换器控制器包括：
发电机侧转换器控制器和电网侧转换器控制器，所述发电机侧转换器控制器被布置为：
从至少一个发电机侧逆变器接收至少一个DC电压需求，
基于从所述至少一个发电机侧逆变器接收到的所述至少一个DC电压需求来确定发电机侧DC电压需求值，所述电网侧转换器控制器被布置为：
从至少一个电网侧逆变器接收至少一个DC电压需求，
基于从所述至少一个电网侧逆变器接收到的所述至少一个DC电压需求来确定电网侧DC电压需求值，
其中，所述电网侧转换器控制器或所述发电机侧转换器控制器起主转换器控制器的作用，所述主转换器控制器被布置为设置参考DC链路电压，其中，所述主转换器控制器被布置为：
从所述发电机侧DC电压需求值和所述电网侧DC电压需求值中选择最高DC电压需求值，
当设置所述参考DC链路电压时，基于所述最高DC电压需求值来确定所述参考DC链路电压；
基于第一转换器串的发电机侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定所述第一转换器串的发电机侧DC电压需求值，
基于所述第一转换器串的电网侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定所述第一转换器串的电网侧DC电压需求值，
基于所述第一转换器串的所述电网侧DC电压需求值和所述发电机侧DC电压需求值来确定所述第一转换器串的DC电压参考值，
基于第二转换器串的发电机侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定所述第二转换器串的发电机侧DC电压需求值，
基于所述第二转换器串的电网侧逆变器的至少一个DC电压需求来确定所述第二转换器串的电网侧DC电压需求值，
基于所述第二转换器串的所述电网侧DC电压需求值和所述发电机侧DC电压需求值来确定所述第二转换器串的DC电压参考值，以及
使用所述第一转换器串和所述第二转换器串的所确定的DC电压参考值来设置所述参考DC链路电压。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机转换器系统，其被布置成执行根据权利要求2至10中的任一项所述的方法。
13.一种风力涡轮机，其配备有根据权利要求11或12所述的转换器系统。
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