CN109874389A - 用于借助风能设备的逆变器产生交变电流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助风能设备的多相逆变器产生多相的电交变电流的方法，所述电交变电流在每个相中具有正弦形基波，其中借助公差带法操控所述多相逆变器，所述公差带法对于所述逆变器的所述相中的每个相分别具有上带限和下带限，并且其中所述逆变器对于每个相具有用于产生所述相的交变电流的正的正弦半波的至少一个上开关以及用于产生所述相的交变电流的负的正弦半波的至少一个下开关，所述方法包括如下步骤：根据关于所述相的电交变电流的带限，借助所述上开关产生所述正的正弦半波并且借助所述下开关产生所述负的正弦半波；改变所述带限中的至少一个带限，使得与相应的正弦形基波叠加的信号分量减小。

Description

用于借助风能设备的逆变器产生交变电流的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助风能设备的多相逆变器产生电交变电流的方法。此外，本发明涉及一种用于借助风能设备的全变流器馈送电交变电流的方法。此外，本发明还涉及一种风能设备，所述风能设备设计用于执行这种方法。
背景技术
特别对于风能设备已知，借助电逆变器产生电交变电流或借助电逆变器将电交变电流馈送到电的供电网中。
为此，电逆变器通常多相地构成并且大多在大功率的风能设备中模块化地构成，也就是说，逆变器具有共同构成电逆变器的多个逆变器模块。
用于操控这种逆变器的方法是所谓的公差带法。
在这种情况下，围绕对应于逆变器的所期望的输出电流的正弦函数铺设公差带，所述公差带具有下带限和上带限。为了执行控制电流的公差带法，还检测所产生的输出电流并且将其与公差带、即下带限和上带限进行比较。如果电流处于正的半波中并且达到下带限，则触发切换脉冲并且逆变器的相应的开关改变输出电流。如果所检测的输出电流现在达到上带限，则结束切换脉冲。如果电流处于负的半波中并且达到上带限，则触发切换脉冲并且逆变器的相应的开关改变输出电流。如果所检测的输出电流现在达到下带限，则结束切换脉冲。结果，电流在围绕预设的、理想化的正弦状的变化曲线的公差带之内变化，其中，逆变器的开关持续地打开并且关闭，所述开关在此具有可变的切换频率，所述切换频率基本上取决于公差带的宽度。
通过相应地选择公差带的宽度、即下带限与上带限之间的间距，能够改变所产生的交变电流的质量。如果更窄地选择所述带，则交变电流相应地更小地围绕理想的正弦变化曲线变化，但是，其中由此通常提高切换频率，因为所产生的输出电流由于更窄的带限也更快地达到该带限从而引起更快地触发切换操作。
此外，为了控制多相的风能设备逆变器，大多使用具有幅度相关的稳态调整率的公差带，所述公差带相应地参数化，也就是说，上带限和下带限在持续运行时彼此具有电流幅度相关的间距。此外，各两个开关，尤其IGBT负责每个相的输出电流的产生，所述开关也称为上开关或下开关。在此，上开关基本上产生输出电流的正的正弦半波而下开关基本上产生输出电流的负的正弦半波，其中，逆变器的参数化在此设定为，使得在任何相应的相期望值中中都不应出现DC分量。
然而，通过构件公差，例如测量环节的链中的偏移，或寄生效应，会引起：在一个或多个相的输出电流中出现DC偏移。所述DC偏移尤其会使逆变器的输出端处的谐波谱变差从而是不期望的。
通常，为此、即为了产生基本上无DC偏移的输出电流，相应地调整构件公差，也就是说，对构件、尤其对测量检测的构件提出特别高的要求。但是，这又引起昂贵的逆变器实施方案。
德国专利商标局在相对于本申请的优先申请中检索了如下现有技术：DE 102 49122 A1；DE 10 2014 219 052 A1和JP H07-308 072 A。
发明内容
因此，本发明的目的是，针对上述问题中的至少一个。尤其应该提出一种解决方案，所述解决方案以尽可能简单且高效的方式防止：在逆变器的输出端处产生DC偏移，至少应该将这种DC偏移保持得尽可能小。因此，尤其应该改善逆变器的输出电流的谐波谱，而不动用具有极其小的构件公差的昂贵的构件。至少应该相对于现今已知的解决方案提出一种替选的解决方案。
根据本发明，提出根据权利要求1所述的方法。因此，提出一种方法，所述方法用于借助风能设备的多相逆变器产生多相的、在每相中具有正弦形基波的交变电流，其中借助公差带法操控多相逆变器，所述公差带法对于逆变器的相中的每个相分别具有上带限和下带限，并且其中逆变器对于每个相具有用于产生所述相的交变电流的正的正弦半波的至少一个上开关以及用于产生所述相的交变电流的负的正弦半波的至少一个下开关。所述方法包括如下步骤：根据关于所述相的电交变电流的带限，借助上开关产生正的正弦半波并且借助下开关产生负的正弦半波；并且改变所述带限中的至少一个，使得叠加的信号分量的相应的正弦形基波中的一个减小。
也就是说，因此能够首先使用具有正常宽度的公差带的正常的公差带法。如果现在例如在相中出现DC偏移或所述相具有相应的谐波，则能够通过如下方式抵抗所述DC偏移或谐波：相应的相的带限中的一个带限改变。
例如，当下开关由于过高的时钟频率在相中产生DC偏移时，下带限降低。
因此提出，有针对性地改变各个带限，使得与基波叠加的信号分量减小。
因此，根据本发明的方法特别好地适合于，以公差带方法使逆变器的谐振动发射最小化，尤其可以将所提出的方法作为附加的控制方法用于公差带界限。
优选地，为此检测直流分量。
因此，所述方法尤其基于检测直流分量。这例如能够间接通过检测上开关和下开关的切换频率实现。
然后根据在相中出现的直流分量设定带限。
因此，通过改变上带限或下带限改变上开关或下开关的切换频率，尤其设定为，使得上开关和下开关尽可能具有相同的切换频率。
优选地，通过检测上开关的切换频率以及检测下开关的切换频率，尤其通过比较上开关与下开关的切换频率，实现对叠加的信号分量的检测或所述对叠加的信号分量的检测。
因此，每个相中的叠加的信号分量经由上开关和下开关的切换频率检测，所述切换频率尤其实现关于公差带、即关于带限推断出所产生的电流。
在此，尤其将上开关和下开关的如此所检测的切换频率彼此比较。于是，如果这两个切换频率的所述比较具有差、尤其过大的差，即根据量值处于预定的差值极限之上的差，则将至少一个相应的带改变为，使得所述差减小或最小化。例如，当上开关具有比下开关更快的切换频率时，上带限向上移动。
优选地，改变上带限或替选地改变下带限，使得减小叠加的信号分量，其中下带限或上带限保持不变。
因此，为了减小叠加的信号分量、尤其DC偏移，改变这两个带限中的仅一个带限，尤其改变为，使得这两个开关的切换频率相称。
在这种情况下，特别有利的是这种方法的简化的执行，因为在这种情况下改变仅一个带限，所以根据本发明的方法能够简单地应用于现有的方法以用于优化。
优选地，改变上带限或替选地改变下带限，使得上开关和下开关之间的切换频率的差最小化。
优选地，改变上带限或下带限，使得降低上开关或下开关的切换频率。在此，尤其关于使两个频率相称而提出，降低较高的频率，而不是提高较低的频率。因此，提出：为了更慢地计时的IGBT而调节。在这种情况下，尤其有利的是，这种方法尤其引起更小的热负载。
根据一个设计方案，借助于时间常数改变上带限或下带限，所述时间常数是相关相的电交变电流的基本振动的持续时间的数倍。也就是说，相应地慢地实现所述改变。
优选地，经由基本振动的半波确定上开关和下开关的切换频率。尤其提出，记录在一个半波上的切换操作的数量并且除以半波的持续时间。
优选地，通过用校正值尤其借助PI调节器根据DC偏移加载带限来实现带限的改变，其中所述校正值尤其作为可变的校正值。
因此，至少一个带限的移动的量值可以根据所检测的DC偏移的量值来选择，所述DC偏移的量值例如已通过不同的切换频率检测。根据所检测的DC偏移或其他偏差，根据所述提议用校正值加载相应的带限。因此，带限以所述校正值移动。在这种情况下，校正值能够用作为恒定的校正值。优选地，校正值通过PI调节器应用。为此，所述偏差尤其DC偏移，尤其就调节偏差而言，形成PI调节器的输入参量。于是，调节器的输出值形成校正值，所述校正值由此也变得可变，至少直至设定到最终值。
优选地，上开关和下开关分别具有至少一个IGBT，以便产生正的正弦半波和负的正弦半波。
由此，上开关或下开关实现为IGBT并且尤其分别具有并联连接的空载二极管。
优选地，公差带法使用电流期望值，并且根据所述电流期望值控制逆变器。
由此，公差带法或逆变器是电流控制的，也就是说，尤其使得检测在逆变器的输出端处产生的电流并且进行返回以调节逆变器。
优选地，根据一个电流期望值或所述电流期望值实现带限的改变。
在此，带限根据电流期望值尤其被改变为，使得减小与相应的正弦形基波叠加的信号分量。
优选地，实现上开关和下开关的切换频率的改变或所述改变以使所检测的直流分量最小化。
例如，使相应的相的逆变器输出端处出现的直流部分最小化。
此外，根据本发明提出一种用于借助连接到供电网上的风能设备将电流馈入到具有电网额定电压的电的供电网中的方法，所述风能设备具有至少一个多相逆变器，所述逆变器构成为全变流器。所述方法包括如下步骤：借助全变流器馈送电流，其中全变流器实施上述或接下来将描述的或根据上述或下述实施方式阐述的方法，所述方法用于产生多相的、在每个相中具有正弦形基波的交变电流。
因此，将根据本发明的用于产生多相的、在每个相中具有正弦形基波的交变电流的方法尤其用于借助风能设备、特别借助具有全变流器设计理念的风能设备将电流馈入到电的供电网中。
在此，“全变流器设计理念”理解为，经由逆变器或多个逆变器的装置引导由风能设备产生的所有电流，使得被馈入到供电网中的所有电流已经由所述逆变器或多个逆变器的装置引导。
在此，尤其由全变流器和公差带法构成的组合在供给电网中持续有电压骤降期间提供直接进行电流预设的优点，使得根据本发明的方法能够特别好地在低电压穿越方法(Low-Voltage-Ride-Through-Verfahren)的领域中使用。
此外，根据本发明，具有用于产生多相的、在每个相中具有正弦形基波的交变电流的至少一个多相逆变器的风能设备，其中借助公差带法操控逆变器，所述公差带法对于逆变器的所述相中的每个相分别具有上带限和下带限，并且其中逆变器对于每个相具有用于产生所述相的交变电流的正的正弦半波的至少一个上开关以及用于产生所述相的交变电流的负的正弦半波的至少一个下开关，其特征在于，多相逆变器设计用于，执行上述或接下来将描述方法或根据上述或下述实施方式的方法。
优选地，上开关和下开关分别具有至少一个IGBT。
借此，能够以高效的方式执行公差带法并且执行至少一个带限的所提出的改变。
优选地，风能具有至少一个PI调节器，以便借助校正值尤其根据DC偏移改变带限。
附图说明
现在，本发明接下来示例性地根据实施例参照所附的图详细阐述。
图1示出根据一个实施方式的风能设备的示意图。
图2示出根据一个实施方式的风能设备用于馈送电交变电流的电线路的示意性构造。
图3示意性地示出用于借助根据一个实施方式的公差带法产生三相的电交变电流的发生器设备的构造。
图4示出根据一个实施方式的、即用于产生一个相的具有正弦形基波的单相的电交变电流的方法的一部分的示意性结构。
图5图解说明根据一个实施方式的用于改变带限以减小一个相的直流分量的方法流程图。
具体实施方式
图1示出用于产生多相的、在每个相中具有正弦形基波的电交变电流的风能设备100。
为此，风能设备100具有塔102和吊舱104。在吊舱104中设置有空气动力学的转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。转子106在运行时通过风进入旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机，其中发电机优选地构造为6相的环形发电机。
图2简化地示出在图1中示出的风能设备的电线路200。
电线路200具有6相的环形发电机210，所述6相的环形发电机通过风经由风能设备的机械的传动链进入旋转运动，以便产生6相的电交变电流。6相的电交变电流由发电机210送交给整流器220，所述整流器经由直流电压中间回路230与3相的逆变器240连接。在此，构成为同步发电机的6相的环形发电机210经由来自直流电压中间回路230的激励250被电激励。
因此，电线路200具有全变流器设计理念，其中借助3相的逆变器240经由风能设备变压器260向电网270馈电。通常，该电网270是风电场电网，所述风电场电网经由风电场变压器向电的供电网馈电。但是，也可以考虑代替风电场电网270直接向电的供电网馈电。
为了对于相U、V、W中的每个相产生三相电流I1、I2、I3，以公差带法控制逆变器240。在此，通过控制器242实现控制，所述控制经由控制器242进行，所述控制器借助于电流检测装置244检测通过逆变器240产生的三个电流I1、I2、I3中的每个电流。因此，控制器设计用于，借助电流检测装置244单独地控制逆变器的每个相。为此，控制器242能够预设电流期望值Isoll，根据所述电流期望值控制电流I1、I2、I3。电流期望值Isoll优选地在设备内部针对每各相U、V、W单独地计算并且预设。
图3示意性地示出用于借助公差带法产生三相的电交变电流的发生器设备300的构造。在此，图3尤其示出如下部分：所述部分能够是在图2中示出的逆变器的一部分。
发生器设备300具有直流电压中间回路330，所述直流电压中间回路经由整流器与风能设备的发电机连接。直流电压中间回路330具有第一电势Udc+和第二电势Udc-与中间抽头M，所述中间抽头设计用于，与滤波装置连接，以便将连接在逆变器的输出端346上的滤波器引回到直流电压中间回路330上。此外，在中间抽头M和这两个电势Udc+、Udc-之间分别设置有具有电容C1、C2的电容器，以便存储直流电压中间环节330中的能量并且相应地平滑直流电压2Udc。
与直流电压中间回路330连接的逆变器340对于三个相U、V、W中的每个相分别在逆变器340的输出端346处产生独立的电流I1、I2、I3。为此，逆变器340对于三个相U、V、W中的每个相分别具有上开关T1、T3、T5和下开关T2、T4、T6，其中上开关和下开关T1、T2、T3、T4、T5、T6尤其经由控制器342借助公差带法操控。
控制器342自身借助于电流控制的公差带法工作。为此，控制器342借助电流检测装置344检测由逆变器340在逆变器340的输出端346处产生的电流I1、I2、I3。将如此检测的电流I1、I2、I3与期望值Isoll进行比较，以便确定用于上开关和下开关T1、T2、T3、T4、T5、T6的带限OB12、UB12、OB34、UB34、OB56、UB56。此外，控制器342检测各个上开关和下开关T1、T2、T3、T4、T5、T6的切换频率f1、f2、f3、f4、f5、f6，以便借助在相应的上开关T1、T3、T5的频率f1、f3、f5和相应的下开关T2、T4、T6的频率f2、f4、f6之间的比较分别改变相应的带限OB12、UB12、OB34、UB34、OB56、UB56，使得将相应的上开关T1、T3、T5的和相应的下开关T2、T4、T6的切换频率f1、f2、f3、f4、f5、f6之间的差最小化，尤其使得相应的相U、V、W的与相应的正弦形基波叠加的信号分量减小。
带限OB12、UB12、OB34、UB34、OB56、UB56以及切换频率f1、f2、f3、f4、f5、f6的下标分别涉及上开关和下开关T1、T2、T3、T4、T5、T6的下标。此外，关于带限和切换频率的细节仍将示例性地针对第一相U在图5中阐述。
图4示出尤其用于产生相U的具有正弦形基波的单相的电交变电流I1的方法的一部分的示意性结构400。
参考变量Isoll、即用于逆变器的电流期望值被提供到公差模块480上。公差模块480从中确定针对相U的上开关T1和下开关T2的相应的带限BO12、UB12。通过模块484描绘的上开关T1和下开关T2于是对应于带限OB12、UB12产生相U的具有正弦形基波的单相的电交变电流I1，其中开关T1、T2自身具有实际切换频率fos、fus或以所述实际切换频率运行。
检测上开关T1和下开关T2的实际切换频率fos、fus并且提供到频率模块486上，所述频率模块从所述实际切换频率中确定频率差Δf、即上开关T1和下开关T2之间的切换频率的差。频率差Δf自身通过PI调节器482返回到带限OB12、UB12上，以便相应地调整开关T1、T2的实际切换频率fos、fus。
此外，借助电流检测装置确定所产生的单相的交变电流I1并且返回到开关T1、T2上，以便根据电流控制开关或逆变器。
图5图解说明根据一个实施方式的用于改变带限以减小一个相的直流分量的方法流程图500。
上开关和下开关T1、T2借助公差带法590操控并且在带限OB12、UB12之内工作，所述带限围绕最优的正弦sin周围伸展。上开关T1以第一切换频率fT1工作而下开关T2以第二开关频率fT2工作。由此，在相U中出现电流直流分量I1G。
切换频率fT1、fT2在第一步骤591中由控制器检测并且在第二步骤592中彼此进行比较。从所述比较中得出的频率差Δf正如切换频率f1、f2那样被提供到公差模块593上，所述公差模块从中确定带限的改变，使得将与相应的正弦形基波sin叠加的信号分量I1G最小化。
示例性地并且极简地，公差模块593为了使直流分量I1G最小化确定下带限594向下的移动，因为对于切换频率fT1、fT2而言已经测量到值2或3从而已经确定1的频率差Δf。这被转送给上开关和下开关T1、T2。
上开关和下开关T1、T2现在在下一步骤595中在带限OB12、UB12*内工作，所述带限围绕最优的正弦sin、即正弦形基波伸展。因此，下带限UB12*已经改变。此外，上开关T1以切换频率fT1工作并且下开关以新的切换频率fT2*工作，其中，所述切换频率fT1、fT2*基本上相同，在简化的示例中即都是2，使得直流分量I1G*在相U中出现，在此假设为0，在任何情况下所述直流分量都明显小于直流分量I1G。通过PI调节器的使用，在此示例性修改的下带限UB12*即使在完全地修正直流分量的情况下也能够保持其经修改的值。
在下一步骤596中，所述切换频率fT1、fT2*再次能够由控制器检测从而必要时再次优化。

Claims (17)

1.一种用于借助风能设备的多相的逆变器产生多相的电交变电流的方法，所述电交变电流在每个相中具有正弦形基波，其中借助公差带法操控多相的所述逆变器，所述公差带法对于所述逆变器的所述相中的每个相分别具有上带限和下带限，并且其中所述逆变器对于每个相具有用于产生所述相的交变电流的正的正弦半波的至少一个上开关以及用于产生所述相的交变电流的负的正弦半波的至少一个下开关，所述方法包括如下步骤：
-根据对于所述相的电交变电流的带限，借助所述上开关产生所述正的正弦半波并且借助所述下开关产生所述负的正弦半波，
-改变所述带限中的至少一个带限，使得与相应的正弦形基波叠加的信号分量减小。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
-检测直流分量作为所述叠加的信号分量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-改变所述至少一个带限，使得改变上开关的和/或所述下开关的至少一个切换频率。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
通过检测所述上开关的切换频率和检测所述下开关的切换频率，实现对所述叠加的信号分量的检测或所述对所述叠加的信号分量的检测，尤其通过所述上开关的和所述下开关的切换频率的比较来实现。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-改变所述上带限或替选地改变所述下带限，使得所述叠加的信号分量减小，其中所述下带限或替选地所述上带限保持不变。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-改变所述上带限或替选地改变所述下带限，使得上开关和下开关之间的切换频率的差最小化。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-改变所述上带限或替选地改变所述下带限，使得所述上开关的或所述下开关的切换频率降低。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-通过时间常数改变所述上带限或替选地改变所述下带限，所述时间常数是相关的相的电交变电流的基本振动的持续时间的数倍。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-经由基本振动的半波确定所述上开关和下开关的切换频率。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-通过将校正值加载给所述带限实现所述带限的改变，特别借助PI调节器根据DC偏移来实现，所述校正值尤其作为可变的校正值。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-所述上开关和下开关分别具有至少一个IGBT，以便产生所述正的正弦半波和所述负的正弦半波。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-所述公差带法使用电流期望值，并且所述逆变器根据所述电流期望值来控制。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-根据电流期望值或所述电流期望值实现所述带限的改变。
14.一种用于借助连接到所述供电网上的风能设备将电流馈入具有网络额定电压的电的供电网中的方法，所述风能设备具有至少一个多相的逆变器，所述逆变器构成为全变流器，所述方法包括如下步骤：
-借助所述全变流器馈送电流，其中所述全变流器实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一种风能设备，其具有用于产生多相的电交变电流的至少一个多相的逆变器，所述电交变电流在每个相中具有正弦形基波，其中所述逆变器借助公差带法操控，所述公差带法对于所述逆变器的所述相中的每个相分别具有上带限和下带限，并且其中所述逆变器对于每个相具有用于产生所述相的交变电流的正的正弦半波的至少一个上开关以及用于产生所述相的交变电流的负的正弦半波的至少一个下开关，其特征在于，所述多相逆变器设计用于，执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法。
16.根据权利要求15所述的风能设备，
其特征在于，
-所述上开关和下开关分别具有至少一个IGBT，以便产生所述正的正弦半波和所述负的正弦半波。
17.根据权利要求15或16所述的风能设备，
其特征在于，
-设有PI调节器，所述PI调节器借助校正值改变所述带限，尤其根据DC偏移改变所述带限。
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