CN109560694A

CN109560694A - 具有少谐波的变换器系统的风力发电设备以及运行方法

Info

Publication number: CN109560694A
Application number: CN201811106611.9A
Authority: CN
Inventors: H-H.莱塔斯
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-04-02
Also published as: DE102017008936A1; US20190097520A1; EP3460970A1; US10879783B2

Abstract

具有少谐波的变换器系统的风力发电设备以及运行方法。运行一种包括风力转子、发电机和带有电流阀的变换器的风力发电设备以产生电功率。提出一种以开关频率控制这些电流阀的变换器控制器。设置了该开关频率在该电网频率的第一整数倍与该电网频率的至少一个第二整数倍之间的阶跃变化。根据本发明这如此进行：该开关频率循环地切换并且这些开关频率之间的频率间距至少为该电网频率的两倍，并且尤其没有任何开关频率为这些开关频率中的其他开关频率的整数倍。以此方式可以针对性地减少谐波，其中由于相对于电网频率的整数性，不产生中间频率。特别便利的是奇数整数倍。可以省去用于降低谐波的复杂的滤波器。本发明还涉及一种对应的风力发电设备。

Description

具有少谐波的变换器系统的风力发电设备以及运行方法

本发明涉及一种风力发电设备以及一种用于运行风力发电设备的方法，该风力发电设备具有发电机以及变换器用于产生电功率并且以电网频率输出。变换器包括电流阀，这些电流阀以开关频率来控制。

为了能够实现转速可变的运行，现代风力发电设备设置有变换器。在此，变换器典型地由具有电压中间回路的两个逆变器组成，其中这些逆变器中的一个安排在发电机侧且另一个安排在电网侧。逆变器具有通过调制产生的、具有可变脉冲宽度的矩形电压脉冲。这种脉冲式电压除了所希望的电压基波（电网频率）之外还在逆变器的输出端产生电压谐波。这干扰了电网并且因此是不希望的。因此，为了阻尼电压谐波，在电网连接侧典型地设置滤波器，大多数情况下实施为L-C滤波器或L-C-L滤波器。这些滤波器在宽带上降低了电压谐波。针对性地降低特别干扰性的谐波要求特殊优化的另外的滤波器。这些滤波器不仅显著昂贵，而且在配置中也费时费力。由此没有完全消除的电压谐波通过存在于电网中的阻抗（尤其变压器阻抗以及电网阻抗）变为电网中的谐波电流。这污染了电网因此是不希望的。为了确保电网的稳定性，在此存在预定的极限值。尤其在所谓的软（weichen）电网的情况下满足该极限值是要求相当高的。

通过额外的L-C-L滤波器来减少自身已知的谐波对于一般应用而言过于复杂并且在其余情况下也并非特别足以消除特别干扰性的谐波。

对于风力发电设备的变换器已知的是，阶梯式调节开关频率，其中所使用的开关频率是彼此的整数倍。如果例如基础开关频率自身位于2.25 kHz，则可以切换到4.5 kHz、6.75 kHz、9 kHz等。因为更高的开关频率是基础开关频率的整数倍，所以它们污染了基础开关频率的谐波谱。此外，开关频率的多倍化造成切换损耗显著提高。

从与太阳能模块的使用相关的另一个背景下已知（DE 10 2014 119 502 B3），将多个变换器并联连接。在此，用于这些变换器的脉冲宽度调制的辅助信号必须被同步。另外还提出，摇动（wobbeln）这些脉冲宽度调制信号以便因此将电磁辐射分散到宽谱上。

本发明的基本目的在于，提供一种风力发电设备以及一种用于运行它的方法，从而能够更有针对性地减少干扰谐波。

根据本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有利的改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明，在一种用于运行风力发电设备的方法中，该风力发电设备具有由风力转子驱动的发电机，该发电机与变换器共同作用以产生电功率，该电功率通过连接导线以电网频率输出，其中该变换器包括具有电流阀的至少一个电网侧的逆变器，并且设置有用于控制该变换器的变换器控制器，其中这些电流阀由具有开关频率的控制信号来控制，设置了该开关频率在该电网频率的第一整数倍与该电网频率的至少一个第二整数倍之间的阶跃变化，其中该开关频率循环地切换并且这些开关频率之间的频率间距至少为该电网频率的两倍，并且没有任何开关频率为这些开关频率中的其他开关频率的整数倍。

然后先解释若干所使用的术语：

开关频率理解为控制信号用来控制逆变器的电流阀的频率。

周期性理解为一个循环的周期时长。

电网频率理解为风力发电设备向电网中输出电功率的频率。

接通时间（Tastzeit）理解为在一个循环之内某一开关状态占主导的时间长度。接通时间对应于接通比与循环的周期时长之比。

本发明基于如下想法：可以取决于开关频率的选择来产生不同的谐波。本发明已知，可以通过循环切换来针对性地控制谐波。于是可以通过在一个循环之内较低频度地设定开关频率来减少属于开关频率的谐波。在此，根据本发明，开关频率总是基频（电网频率）的整数倍。但是在此这些开关频率都不是其他开关频率之一的整数倍。于是谐波谱大部分彼此重叠，这在本发明的意义上是相消的。

通过更经常（即以更大的时间比例）地以其他开关频率来运行变换器的方式，可以针对性地减少干扰性谐波，其中其他的开关频率同样为基频的整数倍并且至少相差基频的两倍。本发明已知，由于整数性，通过这些条件没有产生中间频率。这是非常重要的，因为中间频率在电网中带来了干扰波动控制设备的显著风险。选择两倍基频作为改变频率时的最小值提供了如下优点，即保留了整数性的类型：如果第一开关频率是奇数倍，则第二开关频率也是。然后，切换开关频率与在切换到偶数倍的情况相比是较不容易出现故障的。

因此总体上，这使得本发明能够针对性地减少谐波，而无需复杂和特别优化的滤波器。本发明自身仅需要很少或不需要在硬件方面的额外耗费，因为所需要的开关频率的变化在大多数情况下可以用现有的手段容易地进行。当开关频率的加权平均值保持与先前一样时（即如没有本发明时），无论如何都不出现额外的开关损耗。此外，本发明提供了简单匹配的优点，因为不需要匹配任何硬件变化。这尤其还涉及对在50 Hz或60 Hz电网处运行而对风力发电设备进行匹配；通过常规的滤波器，这迄今为止只能通过复杂的匹配和变化来实现。

本发明对变换器没有提出任何特殊的要求。可以使用简单的“2电平”版本，还有复杂的“多电平”版本。本发明中，其基本上为电网侧的逆变器。通过改变其电流阀的开关频率，实现了本发明的效果。变换器的其余元件（如发电机侧的逆变器/整流器或中间电路）可以保持不变。

对于本发明已经证实为特别有利的是仅仅使用基频的奇数整数倍用于开关频率。由此可以实现有效减少特别干扰性的谐波。

有利地，一个循环的周期时长小于200 ms。这意味着，开关频率的切换比每秒五次更高频度地发生，即大于5 Hz。因为技术上使用的开关频率大多数情况下位于声学上可听到的频率范围内，所以已经显示出，当足够快地完成切换时可以避免对于环境而言干扰性的声波感受（例如颤音）。在此足够快是指，一个循环的周期时长短于200 ms，优选最大160ms。然后，在环境中不再作为声学上单独的频率感受到不同的开关频率，而是融合成一个总的感受。

理论上使用两个不同的开关频率对于本发明的实施就是足够的。然而，当添加第三开关频率或甚至再另外的开关频率时，可以针对性和全面地影响谐波。由此可以特别细致地匹配谐波谱。第三开关频率或另外的开关频率优选同样是开关频率的（奇数）整数倍。

开关频率的切换可以在如下意义上均匀地进行，即在一个循环期间每个开关频率设置为与其他开关频率一样长。从技术上看，这意味着开关频率的占空比是相同的。这意味着，例如在两个不同的开关频率的情况下，这两个开关频率中的每一个被设定为用于循环时间的50%；并且在三个开关频率的情况下，这三个开关频率中的每一个被设定为用于循环时间的33.3%。但是这并不是强制的。还可以提出，这些开关频率被设定为不同长度。由此可以无选择地控制相应谐波的减少幅度。适用的是，开关频率的相对时间比例越短，相应谐波的测量值降低幅度就越大。因此，根据本发明可以通过选择时间分布来针对性地重新分布谐波振幅。已经证实为有用的是，在此接通时间不是无级变化，而是在一种模式之内。

便利地，开关频率的切换以相位同步的方式进行。便利地，这如此进行，使得开关频率总是保持被设定为用于多个周期。以此方式，可靠地避免了出现干扰性的依赖于相位的效应。有利地，分别在载体信号的数值上的最大值处完成切换。这是相对容易检测的事件并且由此以便利的方式确保了所希望的同步。

有利地，设置至少一个并联安排的第二变换器。它完全如上所述地（即用相同的开关频率但用偏移的相位）用循环切换的开关频率控制。在总共两个变换器的情况下，相位偏移优选为180°，在更大的数量n个变换器的情况下对应于360°除以数量n。由此在谐波的情况下实现了更好的消除。在此第二变换器（以及在适当时另外的变换器）通过自身的导线与发电机相连，使得这些变换器彼此绝缘。汇集首先在电网侧、优选通过三绕组变压器（具有分别接地的星形点）来进行。

本发明还扩展到为了对应的运行而形成的、具有用于控制信号开关频率的对应切换装置的风力发电设备。更详细的说明参见前文的说明。

下面参考附图借助于实施例更详细地解说本发明。附图示出：

图1示出根据本发明实施例的具有变换器的风力发电设备的示意图；

图2示出变换器以及其控制器的部分电路图；

图3示出脉冲宽度调制的信号的图表；

图4示出用于以开关频率之间的切换来控制变换器的图表；

图5a-c示出用于在两个开关频率下切换开关频率的不同时间曲线；

图6a-c示出用于在三个开关频率下切换开关频率的不同时间曲线；

图7示出开关频率的切换装置的框图；

图8示出三个开关频率的谐波谱；

图9示出两个或四个开关频率的谐波谱；并且

图10示出具有两个并联安排的变换器的替代性实施例。

为了说明本发明的实施例，首先参照图1。此图示出整体以参考数字1标识的根据本发明实施例的风力发电设备，该实施例适合于实施根据本发明的方法。

风力发电设备1包括塔架10，在塔架的顶端按照在方位角方向上可枢转的方式安排有机舱11。在机舱11的端面处可旋转地安排风力转子12。风力转子包括具有一个或多个转子叶片的毂并且通过转子轴13驱动安排在机舱11中的发电机14。发电机将由风力转子12从风产生的机械功率转换成电功率。发电机14可以为同步或非同步发电机，但是也可以设置另外的发电机构造类型。在机舱11中还安排有运行控制器15，该运行控制器总体上控制风力发电设备1的运行。

另外设置有变换器3，该变换器在所示的实施例中安排在风力发电设备1的塔架10的基部。该变换器通过延伸穿过整个塔架10的连接导线16与发电机14相连。变换器3包括整流器或发电机侧的逆变器31、电网侧的逆变器32以及安排在其间的直流中间电路30。变换器3通过导线17将电功率输出到设备变压器18。设备变压器进而通过连接导线19连接到电网9并且将电功率输出到电网9。

在导线17中，设置L-C-L滤波器4用于减少由电网侧的逆变器32产生的谐波。L-C-L滤波器4由在电网侧的逆变器32的输出端的电网滤波节流器41、安排在电网滤波节流器41的电网侧并且接地的电容器42以及串联连接的第二电感构成。第二电感出于成本原因没有实施为单独的构造元件，而是设备变压器18的风力发电设备侧的绕组作为L-C-L滤波器4的第二电感起作用。

电网侧逆变器32的功能构造在图2中详细展示。该逆变器具有三个并联的相位串，这些相位串分别包括两个串联连接的电流阀36、36’。导线17的相位之一分别连接在每两个串联连接的电流阀36、36’的共同的连接点处。这对于两电平变换器是适用的，出于简化原因在图2中展示该两电平变换器。然而本发明不限于此。变换器3或电网侧的逆变器32还可以（以本身已知的方式）实施有多于两个电平（所谓的多电平变换器）。

电流阀36、36’通过信号导线35、35’被变换器控制器2控制。变换器控制器2包括具有用于产生控制信号的调节器5以及载体信号发生器6的脉冲宽度调制器，该调节器控制待由逆变器32输出的正弦波。调节器5对于这三个相分别产生一个正弦形的开关频率（SIN_1，SIN_2，SIN_3），这些开关频率相对彼此分别相位偏移120°。频率和振幅依赖于由运行控制器15为了逆变器32产生的控制信号。为了简单的数字的继续加工，将如此产生的频率相同但相位偏移的信号分别输送到采样保持构件（未展示），并且然后通过采样获取的信号从调节器5输出。这些信号分别施加到比较器23的正输入端。每个比较器23的负输入端连接有由载体信号发生器6提供的载体信号。比较器23的输出端通过信号导线35分别连接到上电流阀36之一，并且另外，该输出端分别通过中间连接的逆变器24和信号导线35’分别连接到下电流阀36’之一。于是，下电流阀36’与上电流阀36互补地受到控制。上述说明示例性地在具有脉冲宽度调制的、根据下冲方法（Unterschwingungsverfahren）运行的变换器处进行；但是本发明并不限于这种构造方式，而是还可以设置在其他的变换器构造方式中。

在此比较器23总体上作为调制级来起作用，该调制级对应于由调节器5采样的正弦信号来调制由载体信号发生器6产生的载体信号。由此，依据正弦信号的实际振幅，相应的电流阀36、36’被更短或更长地控制，尤其以载体信号的频率。这是脉冲宽度调制的基本原理，如在图3中展示的。在图表中的上部展示了调制级（比较器23）的输入信号。一方面是三角形载体信号，另一方面是调节器5的所采样（并且因此方形地升高和降低的）控制电压，该控制电压对应于约正弦信号的半波。采样在此通过载体信号同步，使得总是在载体信号的极值（最大值或最小值）处进行新的采样。在调制级的输出端产生的信号因此受到脉冲宽度调制（PWM信号）并且展示在图3的下部。可以看到，控制电压越高，输出信号的占空比就越大。

通常，载体信号的频率位于几千赫兹的可听到的谱中。其结果是，逆变器通过在构件中声学的磁性限制（Magnetostriktion）效应输出特征性的哨声。哨声的音高在此通过载体信号的频率来确定并且声强通过占空比来确定。

根据本发明提出，载体信号的频率不是保持不变的，而是在两个值之间切换，这两个值为基频（电网频率）的奇数整数倍。作为实例可以采用39倍以及41倍，由此在50 Hz的电网频率下产生1950 Hz或2050 Hz的载体信号的开关频率。在此重要的是两个方面：一方面开关频率中的每一个应为整数倍，优选奇数倍，另一方面切换开关频率的间距应为电网频率的至少两倍。这在图4中示出。

在图4中，尤其在上部的振幅图示和下部的频率图示中，展示了载体信号的开关频率的时间曲线。首先（在图4中左侧）输出第一开关频率。在时间点t1切换到较低的第二开关频率。切换与三角形开关频率的最大值同步地进行，从而产生无缝连接。在时间点t2再次切换回到第一开关频率。任选地，取决于实施方式可以设置向第三开关频率的切换，如在图4中最右侧用虚线展示的。第三开关频率高于第一开关频率。切换一直同步地进行，即与三角形开关频率的最大值同步。

两个不同开关频率的时间分布的例子在图5a至c中展示。这个频率图示与在图4下部区域中的图示相同地来使用。在图5a中两个开关频率对称分布，即两者各自选择用于50%的时间。在此切换按比例地快速进行，这意味着设定了切换的最短周期时长（Tp）。替代于此，在图5b中展示了一条曲线，其中这两个开关频率同样对称分布，然而设定了明显更长的切换周期时长（Tp’）。实际上展示了在本发明范围内可能设置的最长的周期时长，即160ms。由此产生了至少6 Hz的切换频率。本发明已知，至少6 Hz的切换频率具有优点：产生了均匀的声学感受并且可以避免正如在更低频切换时可能出现的对于环境而言不舒服的“颤音”。在图5c中同样展示了用尽可能长的周期时长（Tp’）在两个开关频率之间进行交换，然而区别在于在这两个开关频率之间存在不对称分布：较高的开关频率设定为比较低的开关频率明显更稀少。

这种分布变化也称为占空比的设定。由此可以根据本发明来影响与对应的开关频率相关联的那些谐波的出现强度。因此在图5c的情况下，减少了由较高开关频率的出现引起的谐波，而在图5b的情况下，减少了随较低开关频率的出现而出现的谐波。因此可以通过改变占空比来进行谐波输出的“设计”。如果例如通过较高开关频率引起的谐波是关键的并且导致电网连接指标受损，则可以通过过渡到具有另外占空比的根据图5c的不对称分布上来减少较高开关频率的比例，由此还对应地减少了与之相关联的谐波。由此明显更容易满足所要求的极限值。

三个不同开关频率的时间分布的例子在图6a至c中展示。使用与图5中相同的图示。因此在图6a中展示了对称分布，其中每个开关频率设定为用于三分之一的时间。在图6b中展示了一种变体，其中单独开关频率的持续时间不同。在此，使用的中频率的长度是低频率或高频率的两倍。在图6c中展示了不对称分布。在此高开关频率和中开关频率设定为各用于40%的时间，并且低频率用于20%的时间。

根据本发明形成的用于切换开关频率的载体信号发生器6的框图在图7中展示。它包括用于构成矩形信号的触发器级61，该触发器级以自身已知的方式由随同耦合的运算放大器62和电压参考64形成。此外，载体信号发生器6包括接在触发器级25之后的用于构成三级信号的积分器级67。然而触发器级61的输出端不直接位于积分器级67的输入端上，而是被引导通过中间连接的乘法构件70。乘法构件是切换装置7的一部分。

切换装置7包括数值结果表72，其中以时间顺序存入了所设定的开关频率的值。如果例如设定了三个不同的开关频率，则数值结果表72包含用于这三个开关频率的值，尤其是以应使用它们的顺序；这也完全可以改变，例如以低-中-高的顺序，并且接着以反转的顺序高-中-低。其他的变体是可能的，并且由于所选的实施方式可以毫无问题地与数值结果表72一起使用。在切换到另一个开关频率之前设定为一个开关频率的时长也可以储存在数值结果表72中。对于其他数量的开关频率，例如两个或四个以及更多个，也对应地成立。

数值结果表72与时钟71相连。这确定了从数值结果表72中调出新数值的时间点。所调用的数值作为开关频率控制信号输出并且通过信号导线73施加到乘法构件70的第二输入端。以此方式来改变由载体信号发生器6输出的用于脉冲宽度调制的载体信号的频率。

此外设置了同步装置8。同步装置包含最大值检测器80并且与时钟71共同作用。这以如下方式完成，即仅在得知在由载体信号发生器6输出的三角信号的最大值时进行释放以便进行切换。为此，对应的释放信号通过释放导线81施加到时钟71以及数值结果表单元72。以此方式实现了，只有当开关频率的三角信号具有最大值时（即只要在相位同步的情况下），才通过切换装置7切换开关频率。

根据本发明的开关频率切换对谐波的作用在图8中展示，尤其是在切换装置的例子中，该切换装置在三个开关频率之间切换（1850 Hz、2050 Hz和2250 Hz，分别为等长的，周期时长120 ms）。第一、第二和第三谐波在4000、6000和8000 Hz的范围内。可以明显看出，所有谐波在数值上仅非常微弱地出现。相比之下，没有切换装置的根据现有技术的谐波谱以虚线展示。区别明显可见并且是突出的。于是根据本发明可以显著减少谐波污染，而不需要额外的复杂的滤波器。

具有两个（直线）或四个（虚线）不同开关频率的实施方式的其他例子在图9中展示。

替代实施例在图10中展示。该实施例基于在图1中所示的实施例并且相同的部件带有相同的附图标记。实质性的区别在于，第二变换器3’与变换器3并联设置，其中自身的导线路径16’从发电机14出发经过变换器3’直到变压器18’，该变压器在此实施为三绕组变压器。这两个次级绕组的星形点是接地的。

变换器3’对应于变换器3来构造，具有发电机侧的逆变器31’、中间电路30’和电网侧的逆变器32’。中间电路30、30’是彼此绝缘的。

为了进行控制，设置有自身的变换器控制器2’，该变换器控制器通过耦合导线69与变换器3的载体信号发生器6（参见图2）相连。用与变换器3相同的、循环切换的开关频率来控制第二变换器3’。然而，第二变换器的载体信号相对于变换器3是相位偏移的，尤其偏移180°。这借助于相移器68来实现，该相移器接入到从载体信号发生器的输出端向第二变换器3’引导的耦合导线69中。

Claims

1.一种用于运行风力发电设备（1）的方法，该风力发电设备具有由风力转子（12）驱动的发电机（14），该发电机与变换器（3）共同作用以产生电功率，该电功率通过连接导线（17）以电网频率输出，其中该变换器（3）包括具有电流阀（36，36’）的至少一个电网侧的逆变器（32），并且设置有用于控制该变换器（3）的变换器控制器（2），其中电流阀（36，36’）由具有开关频率的控制信号来控制，

其特征在于

该开关频率在该电网频率的第一整数倍与该电网频率的至少一个第二整数倍之间的阶跃变化，

其中该开关频率循环地切换并且这些开关频率之间的频率间距至少为该电网频率的两倍，并且没有任何开关频率为这些开关频率中的其他开关频率的整数倍。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用奇数倍作为整数倍。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在一个循环之内的切换以小于200ms的周期来进行。

4.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，该切换包括第三开关频率以及优选其他的开关频率，这些开关频率同样为该电网频率的整数倍。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该第三开关频率和其他的开关频率为奇数整数倍。

6.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在一个循环过程中，对于同一个持续时间（接通时间），所有开关频率都是启用的。

7.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在一个循环过程中，对于不同的持续时间，这些开关频率都是启用的。

8.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，设置有至少一个第二变换器（3’），该第二变换器与该变换器并联地安排并且用相对于该控制信号相位偏移的第二控制信号来控制。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，以度计的该相位偏移根据360°除以变换器（3，3’）数量的关系来选择。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，这些变换器（3，3’）分别通过自身的导线与该发电机（14）相连。

11.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，该切换以相位恒定的方式进行。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该切换以在最大值处同步的方式进行。

13.一种风力发电设备，该风力发电设备具有由风力转子（12）驱动的发电机（14），该发电机与变换器（3）共同作用以产生电功率，该电功率通过连接导线（17）以电网频率输出，其中该变换器（3）包括具有电流阀（36，36’）的至少一个电网侧的逆变器（32），并且设置有用于控制该变换器（3）的变换器控制器（2），其中这些电流阀（36，36’）由具有开关频率的控制信号来控制，

其特征在于，

该开关频率在该电网频率的第一整数倍与该电网频率的至少一个第二整数倍之间能够阶跃变化，并且设置有切换单元（7），该切换单元循环地切换该开关频率，其中这些开关频率之间的频率间距至少为该电网频率的两倍，并且没有任何开关频率为这些开关频率中的其他开关频率的整数倍。

14.根据权利要求13所述的风力发电设备，其特征在于，该切换单元（7）形成为用于实施根据权利要求2至8之一所述的方法。

15.根据权利要求13或14所述的风力发电设备，其特征在于，设置有同步装置（8）。