CN110476315A - 用于将电功率馈入供电网中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其借助于风能设备，利用逆变器在电网连接点处将电功率馈入三相供电网中的方法，所述方法包括下述步骤：尤其在所述电网连接点处检测电网电压；利用电机模型确定虚拟发电机电压，所述电机模型对同步电机的行为进行仿真；配置所检测到的电网电压以与所述虚拟发电机电压进行比较；根据所述虚拟发电机电压并且根据配置用于进行比较的所述电网电压将期望电流预设为馈电电流的预设值，根据上述期望电流产生所述馈电电流，并且将所产生的所述馈电电流在所述电网连接点处馈入所述供电网中，其中配置所检测到的所述电网电压以与所述虚拟的发电机电压进行比较包括：将所检测到的所述电网电压变换为空间矢量描述。

Description

用于将电功率馈入供电网中的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将电功率馈入供电网中的方法。本发明还涉及一种设备，尤其是用于将电功率馈入供电网中的风能设备。
背景技术
已知的是，借助风能设备向三相供电网馈电。还已知的是，在此，除了纯功率馈电以外，风能设备还能够接受电网支持的任务。特别是为了支持供电网，能够根据电网状态如电网电压或电网频率来调整馈电以进行支持。
在此，在评估或考虑这种电网状态时，通常假设：具有直接耦合的同步发电机的大型发电厂确定电网的性能方式。所述风能设备或其它分立的馈电器基于相应的性能并且相应地作出响应。特别要注意的是，借助于变流器馈电的系统，特别是借助于全变流器或全变流器设计方案馈电的风能设备，能够以非常高的动态对电网状态的变化做出响应。其动态基本上是可自由预设的。特别是，与在直接耦合的同步发电机这种情况中不同，其几乎不具有受物理方面所决定的动态，例如一定惯性性能。
随着完全或部分地通过变流器控制的分立式馈电器越来越占据主导地位，由此这样的物理动态，如直接耦合的同步发电机的动态，会失去其在供电网中的影响和主导地位。特别的，直接耦合的同步发电机的稳定电网或至少使其平稳的惯性由此会被抑制并且必须在其它方面考虑。一个变型形式是，借助于变流器控制的馈电器对同步发电机或同步发电机的性能进行仿真。为此，同步发电机的物理模型能够存储在用于馈送电功率的变流器的控制装置中，并且所述变流器被控制为，使得所述变流器基本上像同步发电机那样表现。
但是，这可能具有下述缺点：这种同步发电机模型是复杂的进而在编程和参数化时有时难以处理。过于复杂的仿真也会导致过于缓慢的控制或者需要昂贵的控制硬件来能够确保足够快速的控制。由于滤波还可能发生不期望的信号延时。
此外，对同步发电机的仿真还会引起：不仅实现所期望的效应，如所提及的高的惯性矩稳定话或平稳化，而且也出现同步发电机的可能不期望的其它性能方式。除了同步发电机失调的潜在风险以外，还提到的是，在此也会出现非最佳的、特别是非最佳的正弦电流。这也可能是所使用的同步发电机模型的不足之处的结果。
通过变流器控制的馈电器在一些电网中越来越多的遍及也会引起，这种馈电器在将来必须承担在黑启动或者至少网络重建的领域中的任务。
发明内容
因此，本发明基于如下目的：针对上述问题中的至少一个。尤其应提出一种解决方案，所述解决方案工作为，使得借助于通过变流器控制的发生器馈送电功率尽可能好地匹配于具有小部分的传统大型发电厂的供电网，所述大型发电厂具有直接耦合的同步发电机。特别是，应对于这种电网或者还有微电网(Inselnetz)提出：以尽可能高的质量和/或良好的调节稳定性进行馈电。至少应提出关于至今已知的解决方案替选的解决方案。
根据本发明，提出一种根据权利要求1所述的方法。该方法涉及借助于风能设备并且在此利用逆变器或变流器在电网连接点处将电功率馈入三相供电网中。原则上，只要在此使用逆变器或变流器，也能够考虑使用另一分立式发生器。关于逆变器的任何描述和阐述也类似地适用于变流器，并且反之亦然。
为此首先提出，在电网连接点处检测电网电压。在电网连接点处检测电网电压是特别有利的，因为也应在该处馈电进而应考虑在该处电网电压。但是原则上也考虑：如果在该处能够检测到相应代表性的电压，那么在供电网中的另一部位处或者在电网连接点上游的另一部位处，即在进行馈电的风能设备和电网连接点之间执行测量。
然后利用电机模型确定虚拟的发电机电压。电机模型对同步电机的性能进行仿真。这样确定的虚拟的发电机电压因此是如下电压，所述电压对应于其性能通过电机模型仿真的发电机的电压性能电机。
此外，配置将所检测到的电网电压与虚拟的发电机电压进行比较。这尤其表示：能够将所确定的、最初基本上作为计算变量的虚拟发电机电压与实际测量到的所检测的电网电压进行比较。
此外，根据虚拟发电机电压并且根据配置用于比较的电网电压将期望电流预设为馈电电流的预设值。这尤其能够表示：这两个电压之间的偏差引起相应的期望电流，例如使得较高的电压偏差引起较大的期望电流。
根据这样预设的期望电流，然后产生馈电电流并且将其在电网连接点处馈入供电网中。因此，在虚拟发电机电压和在电网连接点处所测量到的电压之间的比较引起与此相关的期望电流进而也引起相应设定的馈电电流。
现在提出，配置将所检测到的电网电压以与虚拟发电机电压进行比较包括：将所检测到的电网电压变换为空间矢量描述。因此，所检测到的电网电压，即三相供电网的所检测到的电网电压进而还有尤其这样检测到的三相电网电压被变换为空间矢量描述。已经认识到，以空间矢量描述配置所测量的电网电压尤其有利于考虑正弦基波信号。虚拟发电机电压同样是计算的结果进而同样被认为是具有较小的畸变和较少的噪声的正弦曲线。
优选的是，将所检测到的电网电压变换为空间矢量描述是d/q变换，其也能够称为qd变换或派克变换(Park transformation)。这种d/q变换以三相系统为前提条件并且将其变换为双轴的、转动的坐标系，所述坐标系具有d轴和q轴或值d和q。在理想情况下，值d和q是恒定的，因为所述值随着坐标系一起转动。原则上，所述变换以具有正弦变量的系统为前提条件，即使由于时间变化也能够考虑与正弦变量不同的变量。尽管如此，仍以这种正弦变量作为基础并且在空间矢量描述中的d/q变换或计算由此也能够具有非线性滤波函数，该非线性滤波函数能够将偏离正弦信号的干扰或到一定程度其它偏差滤除或者从最后待产生的期望电流中去除。
特别是对于在所检测到的电网电压和虚拟发电机电压之间的比较有利的是，使用这种正弦电压。
根据一个实施形式提出，对空间矢量描述中对已经变换为所述空间矢量描述的电网电压进行滤波并且随后向回变换，使得根据虚拟发电机电压并且根据向回变换的电网电压预设期望电流。因此，对所检测到的电网电压进行滤波在空间矢量描述中实现。由此避免了正弦基波信号的畸变或延时。特别是在逆变换之后，产生经滤波的正弦信号，对于该正弦信号而言，由于所基于的变换规则或逆变换规则也假设为正弦形状。
已经认识到，能够在空间矢量描述中实现简单的滤波，特别是借助PT1元件的滤波，所述滤波在向回变换的正弦信号中引起有利的滤波效果。特别是对于在时域中具有相同的滤波结果的滤波而言，需要显著更复杂的滤波器。但是这种较复杂的滤波器只能耗费地进行参数化并且不够鲁棒。如果在这种复杂的滤波器中要滤除的干扰的类型发生变化，那么可行的是，滤波器的质量会下降或者甚至其有效性也会受到质疑。而所提出的在空间矢量描述中进行滤波是鲁棒的并且基本上有针对性地适配于，使得要滤波的基波信号是正弦状的。特别重要的是，值d和q在空间矢量描述中在理想情况下是恒定的。也就是说，简而言之，滤波器基本上能够滤波到恒定的值。尽管存在非线性的输入变量或具有非线性变化曲线的输入变量，仍能够使用简单的线性滤波器。
因此实现了所检测到的电网电压的尽可能无干扰且无延时的正弦波形从而能够将所述正弦波形与同样是正弦的虚拟发电机电压很好地比较。因此，能够根据该逆变换的电网电压和虚拟发电机电压以高的质量预设期望电流。
优选地，电机模型基于具有定子和转子的虚拟同步电机，所述定子和转子因此同样是虚拟的，即使没有提及。为了确定发电机电压，所述电机模型使用下述列表中的一个、多个或所有变量：
-发电机转子的虚拟转动角θ，
-发电机转子的虚拟转速ω，
-虚拟励磁电压，
-虚拟定子电流，
-发电机转子的虚拟惯性矩J，
-发电机转子的虚拟转矩Te，和
-发电机转子的虚拟摩擦力Dp。
为了简单性起见，这些变量和其它虚拟变量也能够在下文中不添加“虚拟”地引用，因为只要它们涉及虚拟的发电机，那么它们本身也是虚拟的。经由发电机转子的虚拟转动角即虚拟发电机转子的虚拟转动角，同时记录其位置，这对发电机电压的相位角产生影响。
通过考虑发电机转子的虚拟转速(ω)，能够考虑并且影响发电机电压的频率。
通过虚拟励磁电压，尤其能够影响并考虑发电机电压的幅度。
通过虚拟定子电流，尤其能够考虑虚拟同步电机关于所连接的阻抗的性能。
经由发电机转子的虚拟惯性矩(J)，尤其也可够影响虚拟同步电机的动态。
经由发电机转子的虚拟转矩(Te)同样能够考虑并影响虚拟同步电机的动态性能。
发电机转子的虚拟摩擦力特别是能够实现为与频率相关的功率调节的增益。该功率调节优选是电机模型的一部分并且考虑在电机模型的转动频率和参考频率之间的偏差。所述参考频率能够是所测量到的电网频率或预设的频率。因此能够在电机模型中考虑虚拟同步电机的与频率相关的性能。
优选地，所产生的馈电电流用作为虚拟定子电流。因此，特别是建立虚拟同步电机与实际馈电的关系。所产生的并且然后实际馈送的馈电电流也与逆变器输出端或变流器输出端的布线条件相关，特别是与供电网中的条件相关，进而能够在虚拟同步电机中，即在电机模型中经由馈电电流考虑这些影响，所述馈电电流然后形成虚拟定子电流电机。
此外或替选地提出，虚拟惯性矩是可设定的。由此特别是能够影响虚拟同步电机的动态。根据具体的状况或要求，能够选择更大或更小的虚拟惯性矩。特别是对于虚拟同步电机或电机模型与供电网的快速同步而言，如果尚未馈电，而是仅配置馈电，那么小的虚拟惯性矩能够是有意义的。特别是在向供电网馈电时，为了支持和稳定供电网，更高的虚拟惯性矩是有意义的。特别是在当供电网是微电网并且必须通过逆变器稳定的情况下，或者在当逆变器在此甚至应作为电网形成器工作时，考虑将特别高的惯性矩作为优选设定。但是即使在不是微电网的供电网中，也能够出现不同的电网状况，借助相应调整的虚拟惯性矩能够对所述电网情况作出响应。还能够考虑，这种供电网的电网运营商对馈电的动态进行规定，借助相应设定的虚拟惯性矩能够对此作出响应。
优选地，根据电网状态或电网特性设定虚拟惯性矩。例如，电网状态是过频或欠频，或者主要是频率的当前值。当前的电网电压也是电网状态，并且也包括过压或负压，仅列举另一示例。例如能够考虑电网灵敏度作为电网特性，所述电网灵敏度能够作为在所考虑的电网连接点处的电压变化关于在所考虑的电网连接点处所馈入的功率的变化的比率来说明。所述电网灵敏度就此而言也是供电网的涉及电网连接点的特性。其能够表明：网络怎样敏感地对变化做出响应。特别是在电网灵敏度高的情况下能够有利的是，选择相应高的虚拟惯性矩来进行稳定。
根据一个设计方案提出，考虑虚拟的电网阻抗以预设期望电流，所述虚拟的电网阻抗作为在电机模型的或虚拟同步电机的输出端与电网连接点之间的阻抗来考虑。为此提出，能够改变虚拟阻抗的大小。因此，虚拟同步电机与虚拟阻抗连接，使得该虚拟阻抗特别是也与发电机电压相关地影响电流。
经由虚拟阻抗能够考虑供电网的不同的特性。由此能够以简单的方式方法改变虚拟同步电机的性能，以便考虑供电网的由此改变的特性。由此能够不必要进行专门的考虑。
优选地，根据在供电网的正常状态下是否馈电来选择虚拟阻抗，或者根据在供电网已经中断或已经失效之后是否在重建模式中馈电来选择虚拟阻抗，并且在所述重建模式中供电网必须不断提高功率到正常的工作点中。对于网络重建模式尤其提出，在供电网的正常状态下相比，虚拟阻抗被更大地选择供电网，以便能够简化不断提高功率到正常的工作点中。特别是在不断提高功率到正常的工作点中时，能够逐渐增大发电机电压，并且同时调整虚拟阻抗，使得只要在该电网重建模式中还不应馈入很多功率，那么能够流过小的电流。
因此能够以简单的方式和方法实现网络重建或黑启动。特别是能够由此实现下述要求：在黑启动时在仅少量地馈送功率时首先产生并且保持电压是第一位的。同时，同样也能够借助相同的布置实现正常模式。通过调整虚拟阻抗，馈电器能够适配于在正常模式中的馈电。
根据一个实施例提出，在电机模型中
-形成在虚拟转速和参考转速之间的转速差，
-将虚拟转速的经滤波的值或预设的频率用作为参考转速，
-经由关于辅助转矩的差分转速增益转矩计算差分转速，
-所述辅助转矩经由求和点作用于电机模型的虚拟惯性矩，以便因此将虚拟转速调节为参考转速，其中优选
为了使电机模型与供电网同步，将差分转速置于零。
因此，经由考虑和反馈该差分转速，能够实现将虚拟转速调节为参考转速，其中不一定必须实现偏差为0的稳态精度。特别是能够将经由差分转速增益的这种差分转速反馈称为所谓的下垂控制(Droop-Control)。所述下垂控制考虑了同步电机的性能，所述同步电机在调用较高的功率时首先会减慢。通过这种较高的功率输出，提高了同步发电机的转矩，并且相应提高了同步发电机的虚拟转矩，其中所述较高的功率输出特别是也通过较高的输出电流，在此即为馈电电流来表征。同步发电机的该虚拟转矩在此作用于相同的求和点，辅助转矩也作用于或者加到该求和点上。
优选地，差分转速增益是正因子，并且在求和点处减去辅助转矩。如果虚拟同步电机的旋转速度变慢，即如果虚拟速度降低而参考速度保持不变或较缓慢地变化，那么差分转速为负并且辅助转矩也为负，并且在求和点处减去该负的辅助转矩结果会导致在求和点处的总转矩提高了辅助转矩的量值。也就是说，对于这种示例性的情况而言，虚拟同步电机被加速或抵抗提高的虚拟发电机转矩。
但是，为了使电机模型与供电网同步而提出，使该下垂控制不工作。这能够通过如下方式来实现：将差分转速直接设置为0。但这也能够间接地通过如下方式实现：将差分转速作为两个相等的转速之间的差形成，由此差分转速于是为0。为此，能够将对虚拟速度进行滤波的滤波器置为1。
特别地，考虑如下变型形式：参考转速是滤波后的虚拟转速。也就是说，于是从虚拟转速中减去滤波后的虚拟转速。在总增益为1但具有动态特性的滤波功能中，该差分转速因此在稳态转速中逐渐变为0。
至少针对同步提出，将差分转速置为零从而将辅助转矩置为0并且使下垂控制不工作，由此抑制了这种转速调节。也就是说，尤其是当在同步时没有或没有明显的电流流过时，即，尤其期望功率也为0时，虚拟同步电机基本上处于空转状态，并且在这种情况下这种下垂控制也不会干扰该状态。因此，能够使虚拟同步电机进入或保持在一类空转状况中，其中所述同步电机与最后应当被馈电的供电网同步地运转。如果达到这种情况，并且供电网的电压和频率也不变，那么虚拟同步机基本上处于稳定的类似空转的运行状态中。
优选提出
-为了使电机模型与供电网同步
-期望功率的值为零，
-使用计算模型来计算
-内部的虚拟发电机电压和/或
-虚拟转矩Te，其中
用于计算下述列表中的一个，多个或所有变量的计算模型：
-发电机转子的虚拟转动角度θ，
-发电机转子的虚拟速度ω，
-虚拟励磁电压，以及
-馈电电流或期望电流，其中
尤其不检测供电网的频率。
因此，在这种情况下，为了使电机模型与供电网的同步，首先将期望功率置为值0。期望功率在电机模型中经由相应的换算系数作为驱动转矩对虚拟惯性矩起作用。通过将该功率设置为0，因此虚拟电机的驱动转矩同样置为0。也就是说，虚拟同步电机于是不获得任何驱动。利用计算模型，于是计算内部虚拟发电机电压和虚拟转矩。原则上也考虑，仅计算所述变量中的一个变量，但是有利的是，计算所有这些变量。该计算模型在此优选使用同步电机的电机方程，其根据所假设的虚拟同步电机被参数化。
该计算模型为此尤其获得发电机转子的虚拟转动角、发电机转子的虚拟转速、虚拟励磁电压和馈电电流作为输入变量。电机方程式需要这些输入变量来计算上述变量。但是，原则上在理论上也考虑通过简化模型进行简化计算。也能够从虚拟转动角中计算虚拟转速，使得不必将这两个变量都输入到计算模型中。
作为馈电电流，能够使用实际产生的电流，所述电流已经根据预设的期望电流产生。此外，在此并且也针对本说明书的其余部分，将电流和馈电电流和相应得出的电流分别理解为三相电流。馈电电流或期望电流就此而言分别形成三个单独的电流，即分别形成一个相。
至少即使在同步时也能够产生低的馈电电流，该电流会流入仍然存在于电网连接点上游的较小的耗电器中。尤其是在具有多个风能设备的风电场的情况下，能够使用在相应的场电网中的较小的耗电器。例如，所述耗电器能够是线路电感或风能设备的变压器。也考虑扼流圈。此外，能够将虚拟阻抗设定为这些小的耗电器的相应的值或性能上。
替选地，如果根本没有电流流过，那么所预设的期望电流能够作为实际电流进入计算模型中。
根据一个实施例提出，至少根据
-预设的无功功率，和可选地
-电网连接点处的预设的电源电压来确定，
-虚拟励磁电压。
经由预设的无功功率，该预设的无功功率尤其与所测量的无功功率相比较，也就是说，使得尤其使用这种无功功率偏差，能够确定虚拟励磁电压。特别地，该无功功率差或无功功率偏差经由无功功率增益给出并且被积分为虚拟励磁电压。因此，无功功率增益是用于无功功率调节的积分器的放大系数。
可选地，确定在电网连接点处的预设的电网电压，所述电网电压同时影响虚拟励磁电压。为此，尤其形成在所述所检测到的电网电压和预设的电压之间的差。该电压差能够经由电压放大形成无功功率值从而同样如预设的和所测量的无功功率之间的所述差那样影响虚拟励磁电压。也就是说，为此，这些无功功率之和能够被一起积分为虚拟励磁电压，其中该积分器具有所描述的无功功率增益作为积分常数。
优选提出，在空间矢量描述中，尤其根据d/q变换，来计算电机模型的电变量。这尤其涉及三相的定子电流和三相的定子电压。由此能够以有效的方式方法计算虚拟同步电机。特别地，由此也能够良好地计算并且尤其也能够良好地确保对称的三相系统。
根据一种设计方案提出，借助于公差带方法产生馈电电流。因此，尤其是根据公差带方法进行调节。公差带方法在此原则上以如下方式工作：将在要产生的电流的所期望的信号形状周围，也就是说，尤其是在要产生的电流的正弦状的信号形状周围设置公差带。测量分别产生的电流并且然后经由相应的开关位置根据测量值进行控制，即，使得电流在遇到公差带上限时减小，而在遇到公差带下限时增大。使用公差带方法来馈电或产生正弦电流原则上是已知的。然而，在此提出一种方法：尽管使用公差带法也能够实现电压成形。这尤其利用虚拟阻抗来实现，经由所述虚拟阻抗，尽管预设了电流，但最终不仅能够达到输出电压，而且能够有针对性地预设输出电压。特别地，在电网重建或者甚至是黑启动的情况下，该电压能够有针对性地并且受控地提高。
特别地，微电网运行也是可行的并且尤其提出，在独立运行时，当逆变器预设电网频率时，
-虚拟转速ω与预设的电网频率相关，尤其使得根据虚拟转速和预设的电网频率之间的差来调节辅助转矩或在电机模型中起作用的辅助转矩，和/或
-虚拟励磁电压
-与供电网的预设的电压和供电网的所检测到的电压相关，尤其使得根据预设的电压和所检测到的电压之间的差来调节辅助无功功率值，虚拟励磁电压与所述辅助武功功率值相关。
因此，至少根据该实施方式，所提出的方法特别适合于独立运行或微电网运行。在此将如下运行视为微电网运行，其中存在闭合的供电网，在该供电网中，风能设备或其他逆变器或变流器控制的馈电器具有主导地位，使得其基本上引导电网，特别是在频率和电压方面。为此提出，虚拟转速与预设的电网频率相关。也就是说，在此预设电网频率，特别是预设为固定的参考频率。根据虚拟转速，即电机模型中的转速和预设的电网频率之间的差，能够确定辅助转矩，该辅助转矩就此而言被调节或控制或者设定。该辅助转矩在模型中抵抗虚拟电转矩。辅助转矩和虚拟电转矩之间的差，可选地在考虑其他转矩之后，对虚拟转速起作用，所述虚拟转速由此通过借助于相应的积分时间常数进行积分得出。虚拟转速于是能够再次是计算模型的输入变量，从而能够预设发电机电压的频率并且由此最终也能够预设参考电流的频率。也就是说，借助于该方法，尤其能够通过使用虚拟同步电机来实现固定频率，使得在频率方面引导微电网。
对辅助转矩的调节优选地使用PI调节器，以便以稳态精度将虚拟转速调节至预设的电网频率或相应的转速。
此外或替选地，在此提出，虚拟励磁电压与供电网的预设的电压和供电网的所检测到的电压相关。特别提出，根据预设的电压和所检测到的电压之间的差求取辅助无功功率值。可选地，从中减去所检测到的无功功率值。如已经阐述过的那样，由此获得的该无功功率值能够特别是经由无功功率放大被积分为虚拟励磁电压。
通过考虑电压，能够进行电压调节，这也能称为下垂电压控制。该电压调节优选能够被激活或停用。也就是说，通过考虑预设的电压和所检测到的电压的可选的使用，即被激活，因此激活该电压调节。因此，虚拟同步电机被控制为，使得其能够通过电压调节对供电网中的，特别是在电网连接点处电压变化做出响应。也就是说，它能够以稳压电压或跟踪电压的方式工作。该变型形式尤其针对微电网运行提出，因为由此能够实现电压调节从而实现电压引导。然后，这种调节经由电激励电压发挥其作用。因此，该方法在微电网中不仅能够预设或引导频率，而且还能够预设或引导电压，即电压幅度。
因此，对于微电网运行，尤其提出：
-辅助转矩经由PI调节器调节，
-虚拟转速尤其通过关于积分时间常数对作为辅助转矩和虚拟电转矩之间的差值的差分转矩进行积分而得出
和/或
-辅助无功功率值由PI调节器调节，并且
-虚拟励磁电压尤其通过关于积分时间常数对作为辅助无功功率和所检测到的无功功率之差的差分无功功率进行积分而得出。
因此，如下转矩对电机模型起作用，该转矩由经调节的辅助转矩和虚拟转矩之间的差产生。这在电机模型中被积分，即关于作为积分时间常数的逆虚拟惯性矩被积分，从而确定虚拟转速。只要不引起其它的转矩，那么这种积分就可产生虚拟转速。通过这种方式，由此控制或调节虚拟同步电机的转速。
经由无功功率调节或控制输出电压。为此，将与参考值或期望值的电压偏差作为调节偏差经由PI调节转换为无功功率值中，从而经由虚拟励磁电压通过虚拟同步电机调节电压。
根据本发明，也提出一种风能设备，其配置用于在电网连接点处将电功率馈入三相供电网中。为此，所述风能设备具有至少一个用于产生馈电电流的逆变器。也就是说，逆变器于是例如经过公差带方法产生这种馈电电流。此外，提出一种用于检测电网电压的检测机构并且检测该电网电压，尤其是在电网连接点处。所述检测机构能够相应地构成为测量设备或测量传感器并且测量电网连接点处的电压。但是，实际的传感器也能够作为独立的元件存在，所述元件不形成风能设备的一部分。风能设备于是具有接口，经由所述接口能够接收所检测到的电网电压，并且该接口于是用作为用于检测电网电压的检测机构。
此外，提出用于控制馈电的控制装置。该控制装置尤其操控逆变器。为此，能够在逆变器中设置专用的微处理器，该微处理器在逆变器中进行开关操作并且由控制装置操控，尤其获得馈入电流的期望值。但是，控制装置也能够直接作用在逆变器上。
至少提出，控制装置配置用于执行如下方法，所述方法利用电机模型确定虚拟发电机电压，其中该电机模型对同步电机的性能进行仿真。因此，至少该电机模型在控制装置中执行。为此，控制装置能够具有相应的微处理器或其他计算机装置。
此外，所执行的方法包括如下步骤：将所检测到的电网电压与虚拟发电机电压进行比较。特别地，为此对电网电压进行滤波，使得尽可能仅将电网电压的一个基波与虚拟发电机电压进行比较。这是基于如下基本思想：虚拟发电机电压在控制装置中并且尤其是借助电机模型产生，从而没有或没有明显的测量干扰。因为所述比较并不是识别测量干扰中的差异，因此所检测到的电网电压尽可能配置为，使其没有测量干扰，或者具有至少尽可能小或尽可能弱的测量干扰。
此外，所执行的方法包括如下步骤：根据虚拟发电机电压并且根据配置用于进行比较的电网电压，将期望电流预设为针对馈电电流的规定。也就是说，期望电流根据虚拟发电机电压并且根据电网电压来确定。
此外，逆变器配置用于，根据期望电流产生馈电电流并且将所产生的馈电电流在电网连接点处馈入到供电网中。为此，在逆变器的输出端上的相应的布线也是特别有利的。这能够包括相应的扼流圈。此外，逆变器为此可选地经由至少一个另外的变压器与电网连接点连接。
此外提出，所检测到的电网电压配置用于与虚拟发电机电压比较包括：将所检测到的电网电压转换成空间矢量描述。因此，控制装置也配置用于进行这种变换。为此，相应的变换算法能够在控制装置中执行。此外，控制装置配备有相应的计算能力，即尤其配备有相应的微处理器或其他计算机装置。
优选地，这种风能设备，特别是控制装置，配置用于执行根据上述实施方式中的至少一个所述的用于将电功率馈送到供电网中的方法。为此提出，分别在控制单元中实施所阐述的步骤。
根据本发明，提出一种风电场，其具有多个风能设备，其中所述风能设备根据上述实施方式中的至少一个构成。此外或替选地，提出：风电场具有场馈电装置，所述场馈电装置连接到电网连接点上并且配置用于执行根据上述实施方式所述的方法。尤其为此提出一种场逆变器。这种场馈电装置或场逆变器，尤其在具有DC电网的风电场的情况下，将风电场的风能设备的功率整体馈入到供电网中。可选地，这也能够通过高电压来完成。在此特别提出一种用于所述馈电的中央的场逆变器。这种中央的场逆变器也能够基于所提出的仿真的同步电机工作并且应用所提出的方法或其中之一。
附图说明
接下来示例性地参照附图详细阐述本发明。
图1示出风能设备的立体视图。
图2示出风电场的示意性视图。
图3示出关于在两个交变电压源之间的功率传输的替代电路图。
图4示出根据一个实施方式的用于电网运行的馈电方法的示意性结构图。
图5示出在微电网运行时根据一个实施方式的方法的结构图。
图6示出根据一个实施方式的结构图，用于图解说明对虚拟阻挡的调整。
图7示出根据一个实施方式的结构图，用于图解说明所提出的电压滤波过程。
图8示出用于阐述滤波作用的电压变化曲线。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩100的转子106。转子106在运行时通过风进入转动运动从而驱动吊舱104中的发电机。
图2示出具有示例性三个风能设备100的风电场112，所述风能设备能够是相同的或者不同的。三个风能设备100由此基本上代表风电场112的任意数量的风能设备。风能设备100经由场电网114提供其功率，即尤其所产生的电流。在此，各个风能设备100的分别所产生的电流或功率相加并且大多设有变压器116，所述变压器对场中的电压进行升压变换，以便随后在一般也称为PCC的馈电点118处馈入到供给电网120中。图2仅是风电场112的简化视图，其例如未示出任何控制装置，虽然自然是存在控制装置的。场电网114例如也能够不同地设计，仅列举另一个实施例，即在所述场电网中例如也能够在每个风能设备100的输出端处存在变压器。
所提出的方法是在微电网运行和电网运行时基于同步电机的运动方程对全变流器的电流调节方法。本发明由此涉及一种对全变流器的电流调节方法，其核心调节基于同步电机的运动方程。这种调节尤其实现：在电网状态改变时，尤其电网频率和电压电网改变时，尽可能可自由设定地仿真同步电机的惯性力矩。该特性也取决于在全变流器的直流中间回路所储存的能量。也考虑经由中间回路电压调节通过主要能量源馈入中间回路的能量。该能量随后同样能够在直流电压中间回路中可供使用。
在下文中所述方法示例性地也根据多个实例来详细阐述。
在交变电流系统中在两个节点之间所传输的有功功率和无功功率通过电压V和E由下述方程来确定：
其中X是这两个节点之间的线路电抗，并δ是这两个电压之间的相位偏移。这在图3的替代框图中示出。
如果假设E是全变流器的输出端电压，所述全变流器在电网处于电压V相关联，那么从方程(1)和方程(2)中得出，所传输的有功功率和无功功率会受到变流器的输出端电压的幅度和相位影响。
所述调节由外部的和内部的调节回路构成。在外部的调节回路中，虚拟的同步电机的磁极转子电压的幅度和角度动态地改变，使得全变流器的馈入到电网中的有功功率和无功功率被调节到预设的期望值。有功功率调节基于同步电机的运动方程，而无功功率或电压调节基于P调节器或者PI调节器。
方程(3)描述了同步电机的运动方程，其中Tm和Te分别是机械转矩和电磁转矩，ωr是转子速度，KD是衰减系数并且J是同步电机的惯性。
Tm通过有功功率期望值来确定，如仍将关于图4所阐述的那样，而Kd和J是可设定的参数。变量KD也能够称为增益DP。
虚拟同步电机的电变量关于转子坐标系转换为d/q分量，并且用于计算Te。d/q变换也能够称为qd变换或变换为qd坐标，并且对于关于该变换的进一步说明，请参考下面提到的引文[Lit1]。对于所述变换，使用角度θ，所述角度由(3)的解和ωr的积分产生。
abc/qd转换矩阵如下定义：
在全磁极电机中，Te如下计算：
在此，p表示极对的数量，Lm为互感，if为励磁电流，iq为定子电流的q分量，其中Lmif的比例由无功功率和电压调节中得出。
如下计算qd分量中的虚拟磁极转子电压的幅度：
Eq＝ωrLmif (7)
Ed＝0 (8)
通过θ和(5)，将(7)和(8)反变换为abc。应当注意，在这种情况下，压力角θ并非单独通过一种方法，例如锁相环从电网电压中获得，而是从上述方程体系，特别是运动方程(3)的解得出。这是基于同步电机的调节方法的方法类别的决定性优势，因为在这种情况下避免了延迟，如在锁相环和类似方法中常见的在大于10ms的数量级中延迟。
内部调节回路由电流磁滞调节器构成，也能够称为公差带方法，其期望值由虚拟磁极转子电压eabc、在转换器端子处测量的电压vabc以及虚拟定子阻抗Zs的瞬时值得出。
能够将虚拟定子阻抗设定为，使得确保调节稳定性并且由以下方程构成：
Zs＝Rs+sLs (9)
其中Rs和Ls是虚拟同步电机的定子电阻和定子电感。
由此，如下计算电流期望值：
所测量的变流器的端子电压不一定是正弦状的，并且根据运行方式或电网状态可能包含许多谐波，所述谐波可能会对方程(10)的电流期望值和整个调节产生负面影响。例如，在空转运行中，即，在产生空载电压或在严重非线性负载下是这种情况。原则上，同步发电机方程体系的始终对称的磁极转子电压会抵抗这种不对称性和谐波含量，然而不能始终完全对其进行补偿。为了抵抗这种情况，变流器端子电压被转换为qd坐标，其分量通过一阶低通滤波器滤波并且再次被转换回abc分量。因此，不需要幅度和相位补偿。这在图3的等效电路中示出。
接下来阐述电网运行，在所述电网运行时向供电网例如欧洲联合电网馈电。这能够区别于向微电网馈电，如在下文中仍将阐述的那样。
因为所述调节对同步电机的特性进行仿真，所以变流器自身能够与供电网同步，所述供电网也能够简称为电网。在将变流器与电网连接之前，发生同步阶段。
有功和无功功率期望值置为零，并且所述调节确保满足根据(11)的条件。这意味着，虚拟磁极转子电压eabc的幅度和相位等于电网电压vabc在公共连接点(VKP)处的幅度和相位。因此，在稳定状态中，根据方程(12)和(13)，在VKP处的有功和无功功率为零。
因为变流器在同步阶段期间尚未与电网连接，所以根据方程(10)的电流是虚拟的。在同步阶段结束时，当满足方程(11)时，产生：
eabc-vabc＝0→isabc＝0→iq＝0→Te＝0 (14)
当同步阶段结束时，变流器能够与电网连接，并且能够将Pset和Qset设定为新的期望值。针对电网运行提出的结构在图4中示出。
通过所述方法应预设目标电流isabc。该期望电流isabc是三相的并且所述期望电流由差分电压UDV产生，所述差分电压被施加到虚拟阻抗ZV上。在图4的结构图中，这显示为将差分电压UDV输入到该虚拟阻抗中。
差分电压UDV作为差从减去了虚拟发电机电压Egen的所测量的电压VPCC中产生。为此设有输出求和元件10。电压VPCC是在电网连接点处测量的电压，然而，所述电压被滤波，即优选如仍将参考图7所阐述的那样。
发电机电压Egen在计算模型12中计算并由其输出。为此，计算模型12使用上述同步发电机的电机方程。发电机电压Egen和在电网连接点处的所测量的电压VPCC之间的差因此对虚拟阻抗ZV起作用，从中计算出期望电流Isabc。这基本上意味着，由虚拟阻抗ZV表示的阻抗位于发电机电压和电网连接点处的电压之间。
计算模型12具有发电机转子的虚拟旋转角δ和发电机转子的虚拟转速ω作为输入变量。就此而言涉及机械变量的这两个变量最终与有功功率，特别是预设的有功功率相关。
根据虚拟阻抗ZV和差分电压UDV产生期望电流Isabc基于上述方程(10)。就此而言，发电机电压Egen对应于方程(10)的发电机电压eabc，并且所测量的和滤波后的电压VPCC对应于方程(10)的电压vabc。虚拟阻抗ZV对应于方程(10)的阻抗ZS。
此外，虚拟励磁电压Ue和输出电流Iabc进入计算模型12。输出电流Iabc能够是所测量的电流，即特别是三相的输出电流，所述输出电流对应于期望电流Isabc由逆变器产生。
此外应指出的是，图4和图5包含虚拟机模型，并且其中涉及同步电机的变量由此是该虚拟同步机的变量从而普遍视为虚拟变量，即使没有详细说明也如此。
此外，计算模型12输出虚拟电转矩Te。在运行时，该虚拟电转矩Te抵抗在转矩求和元件14处的机械转矩Tm。从转矩求和元件14中产生有效转矩Tw。机械转矩Te从在此能够预设为期望功率Ps的功率中产生。经由基本上考虑转速的转矩换算装置16从输入的期望功率Ps中产生机械转矩Tm。
有效转矩Tw除以虚拟惯性矩J，这实现惯性增益18，并且随后经由第一机械积分器21产生转速ω。转速ω经由第二机械积分器22产生发电机转子的转速角δ。因此，这两个机械积分器21和22基本上再次形成转子的机械性能，有效转矩Tw作用到所述转子上。
此外还设有具有转矩调节器增益24的转矩调节器。转矩调节器增益24引起辅助转矩Th，该辅助转矩在转矩求和元件14中在负号的情况下被考虑并且只要辅助转矩本身具有正值，那么有效转矩Tw减小。
为此，转速求和元件26的结果作用于转矩调节器增益24。在转速求和元件中，根据在图4中示出的情况，从虚拟转速ω中减去滤波后的转速ω*。结果是差分转速Δω。
借助该转矩调节，尤其能够针对同步影响转速ω。只要转速ω改变，就能够在转速ω和滤波后的转速ω*之间产生差。为此尤其提出，转速滤波器28的增益为1，进而滤波后的转速ω*对应于在稳态状态中的转速ω的。在这种稳态状态中于是差分转速Δω也为0，进而辅助转矩Th也为0。如果在同步时于是预设的功率Ps也为0，并且虚拟电机整体上在这种稳态的空转运行中运行，那么虚拟电转矩Te变为0，进而于是有效转矩Tw也变为0。转速ω于是不再改变。然后同步结束，并且例如于是能够进行接通以经由电网连接点向供电网馈电。
特别是对于微电网运行而言，能够经由频率预设块30进行频率预设，这特别是设置针对微电网运行设置。微电网运行在下文中仍将结合图5来描述。
虚拟的激励电压Ue在考虑无功功率增益G的情况下从有效的无功电流Qw的积分中产生，所述无功功率增益也能够称为积分时间常数。为此设置无功功率增益块32和无功功率积分器34。
有效的无功功率Qw是预设的无功功率Qs和所测量到的无功功率Qi的差的结果。所述差在无功功率求和元件36处形成。所测量到的无功功率Qi是此时由逆变器馈送的无功功率。因此，虚拟励磁电压Ue经由无功功率设定或影响。
经由电压调节开关38，能够激活或接通电压调节。借助该电压调节，能够调节到预设电压Vpccs上。至少能够与此相关地进行电压调节。为此，从在电网连接点处的该期望电压Vpccs中减去在该处测量到的电压VPCCI。为此设有电压求和元件40。对于电压调节，这样获得的差分电压ΔV经由电压增益块42中的电压增益Dq给出。得出调节无功功率QR，其经由无功功率求和元件36影响有效的无功功率Qw，进而于是经由无功功率增益块32和无功功率积分器34影响虚拟励磁电压Ue。能够通过闭合电压调节开关38来激活该调节。优选的是，电压增益块42的电压增益Dq是可变的，以便尤其影响该电压调节的动态。
在微电网运行中，电网的频率和电压被调节到期望的期望值。频率调节一如既往基于具有如下区别的方程(3)进行：Tm通过PI调节器确定并且在图5中作为TR表示，所述PI调节器对频率偏差进行响应。与在频率调节中类似，电压调节也通过PI调节器执行，从其输出端中产生无功功率期望值。
相应的调节使得变流器具有黑启动能力。如果流过变流器的电网滤波器的空载电流或其它运行机构的空载电流对于令人满意地使用磁滞电流调节器而言过低，那么通过将小的欧姆负载或电感负载与变流器端子并联连接来实现所述特性。因此能够构成最小的变流器输出电流，使得确保磁滞调节的功能性。由此在变流器的连接端子处产生电压，其频率和幅度被调节为期望的期望值。
微电网运行在图5中图解说明，其具有如在图4中示出的结构。只要在这两个图中的结构或元件是相同的或具有相同的功能，就使用相同的名称和附图标记。关于对于微电网运行而言不改变的功能的阐述，就此而言也参考关于图4的阐述。
在微电网运行中，现在为了基本上涉及发电机转子的机械运动的功率调节而设有附加的P1功率调节器部分50。该PI功率调节器部分从差分转速Δω开始产生调节器转矩TR，所述调节器转矩经由转矩求和元件14影响有效转矩Tw。
差分转速Δω在这种情况下作为电机模型的转速ω和期望转速ωs的差产生，该期望转速ωs由频率预设块30预设。频率预设块30预设微电网的频率，并且在此就其而言以换算为期望转速ωs的方式预设期望频率。所述差在转速求和元件26中形成。在此不使用根据图4的结构的滤波后的转速ω*。但是由于如下原因也能够使用根据图4的结构：对于微电网运行从转速滤波器28切换到频率预设块30，如通过在图4中的频率转换开关29所表明的那样。也就是说，如果不仅原则上在微电网中使用，例如在实际上的小的地域岛上，而且如果由于在较大的供电网中的切换操作而使所述供电网的部分区域形成为微电网，即暂时解耦，那么也能够考虑暂时的微电网状况。
经由接通调节转矩TR，因此能够调节发电机转子运动或虚拟同步电机的虚拟的发电机转子运动，使得出现预设频率或预设的期望转速ωs。在此，最初不考虑经由转矩换算16的期望功率Ps。可选地，能够经由期望功率开关52选择所述期望功率。然而，虚拟电转矩Te此外经由转矩求和元件14作用于有效转矩Tw。也就是说，就此而言电机模型保持不变，但是已经实现另一调节。为了电压调节，根据图5的结构的微电网运行同样使用PI部分，即用作为PI电压调节部分54的PI部分。PI电压调节部分54输出调节无功功率QR，为了简单起见，所述调节无功功率与在图4中的名称相同。但是，调节无功功率QR现在是PI电压调节部分54的输出。也就是说，其是包含在该调节无功功率QR中的积分部分。该PI电压部分54的输入再次形成在电网连接点处预设的电压Vpccs和在该处所测量到的电压VPCCI的差。有效的无功功率Qw现在是调节无功功率QR和所测量到的无功功率Qi的差的结果。预设的无功功率Qs是无效的，因为借助无功功率开关56切换到PI电压调节部分54的输出端上。
现在经由PI电压调节部分44实现：基本上由此预设无功功率，所述无功功率与在电网连接点处预设的电压和测量到的电压之间的电压偏差相关。PI电压部分54的积分部分设置用于实现在电网连接点处预设的电压的稳态精度。
对于从黑启动运行切换到负载运行，即在微电网中，并且相反从负载运行切换到黑启动运行，调整虚拟阻抗。这是因为在没有显著的负载的运行期间，需要对在虚拟的磁极转子电压和所测量到的端电压之间的差进行更强的低通滤波，以便确保稳定性。
对虚拟阻抗的调整在图6中示出。在从黑启动运行切换到负载运行时的调整基于变流器的所测量到的输出功率，这能够涉及有功和/或无功功率，或者替选地涉及所测量到的功率梯度dP/dt和/或dQ/dt，并且在图6中表示为条件1或条件C1。在这种情况下，虚拟阻抗Zs的电感部分Ls改变，并且所述改变能够受到最大梯度限界，所述最大梯度能够被称为速率限制器。
在从负载运行过渡为黑启动运行时，负载阻抗明显变大。因为期望值电流在过渡期间不改变，所以会引起端电压的明显瞬态增加。如果在虚拟的磁极转子电压和所测量到的端电压的幅度之间的差超过特定的极限，这作为条件2或条件C2在图6中绘出，那么所述调节的虚拟阻抗改变。
就此而言，图6示出图4和图5的结构的虚拟阻抗Zv的实现，其中所述虚拟阻抗Zv的值以取倒的方式在乘法器60处与差分电压UDV相乘，使得产生期望电流Iabc。三相期望电流Iabc由于其三相性也能够称为期望电流，即每相一个电流。这同样适用于其它三相变量。
也能够称为Zs的虚拟阻抗Zv由电感部分Ls和欧姆部分Rs组成，并且这些变量因此形成阻抗块62的输入，其中这两个部分被组合并且为了进一步计算而形成和输出阻抗的倒数。
根据所示出的实施形式，改变电感部分Ls，其中欧姆部分Rs保持不变。但是原则上也能够改变欧姆部分。
现在，电感部分Ls的变化或设定特别是取决于：是否存在黑启动运行或负载运行。相应地，借助运行类型开关64，能够根据所述运行类型在这两个电感部分之间切换，即在用于黑启动运行的电感部分Ls1和用于负载运行的电感部分Ls2之间切换。为此，将这两个条件C1或C2输入运行模式开关64中。因为能够在正在进行的运行中执行这种切换，但是虚拟电感Zv或Zs不应突然变化，所以设有梯度块66，所述梯度块确保：所述变化作为具有最大斜率的斜坡转发或者所述变化被限制于具有最大斜率的边沿。这种最大斜率就此而言在绝对值方面是受限的。也就是说，限制上升和下降。也就是说，如果在运行类型开关64中在电感部分的两个值之间进行切换并且运行开关64的输出是突变，那么梯度块66的输出是斜坡。
也就是说，结果是虚拟阻抗Zv或Zs逐渐变化，从而这种变化能够在正在进行的运行中实行并且经由乘法器60直接作用于期望电流Iabc。
但是特别是也在黑启动模式运行中考虑，不仅在这两个电感部分Ls1和Ls2之间切换，而且有效的电感部分就其而言也分别根据运行类型开关64的开关位置发生改变。这种改变也能够经由梯度块66被限制于最大梯度，即最大边沿陡度。
然后，图7图解说明对在电网连接点处所测量到的电压VPCC的滤波。所测量到的电压在此称为Vpcc'，而滤波后的结果于是是电压Vpcc。所测量到的电压V’pcc被输入到变换块70中，所述变换块70将该3相电压变换为具有q分量和d分量的原则上已知的描述。该变换也作为d/q变换已知并且涉及例如也作为场变换已知的变换。所述变换将三相的变量，在此即三相的电压变换为具有轴d和q的2轴坐标系。为了图解说明，q块72包含q分量而d块74包含d分量。为了进行说明这两个分量尚属于未经滤波的电压信号V’pcc，它们同样作为虚线的变量，即q’和d’示出。然后，它们分别输入滤波器块，即q滤波器块76和d滤波器块78。这两个滤波器块76和78能够是相同的，但也能够是不同的。在图7中提出的结构分别使用两个相同地参数化的一阶线性滤波器，即分别使用PT1元件或PT1滤波器。也就是说，着两个分量q’和d’都经由一阶低通滤波器提供，并且随后所述结果分别是滤波后的分量q或d。然后，将这些滤波后的分量q和d提供到逆变换块80上并且向回变换为3相系统。结果是，滤波后的三相电压Vpcc特别是在图4和5中被提供到输出求和元件10上。
图8示出两个电压图表，所述电压图表分别关于以秒为单位的时间示出以伏特为单位的电压幅度U。因此，所示出的电压基本上分别示出具有正弦状的变化曲线的电压，其周期持续时间为20ms，进而示出50Hz信号的电压。
在图8的上部视图中示出在电网连接点处记录的一个相的电压V'1,pcc。这因此对应于在图7的变换块70的输入端处的三相电压V’pcc的一个相。要注意的是，图8的结果是模拟结果。还要指出的是，为了示出电压，部分地使用字母U而部分地使用字母V，但是由此不应将其视为任何技术差异。
因此，图8的上部图表示出未滤波的电压，该电压也以可识别的程度强烈地受噪音干扰。
在图8的具有与上部图表相同的时间轴的下部图表中，示出两个滤波后的电压。电压V1,pcc相对于上部图表的未滤波的电压V’1,pcc示出经滤波的变化曲线，其从根据图7的滤波中产生。电压的V1,pcc因此是在图7的逆变换块80的输出端处的三相电压信号VPCC的与图8的上部图表相对应的相。也就是说，如果将三相电压信号输入到图7的变换块70中，其中所有三个相例如都具有如在图8中的上部图表中示出的变化曲线，那么在图7的逆变换块80的输出端处产生三相电压信号，其中所有三个相例如具有根据图8的下部视图的变化曲线V1,pcc。未滤波的电压V1,pcc和滤波后的电压V1,pcc在此涉及相同的相。
可以看到，在未滤波的电压V’1,pcc和相应的滤波后的电压V1,pcc之间几乎不发生相移。
对于滤波，根据图7针对这两个滤波器块76和78，分别使用具有相同增益(即1)和相同的时间常数(即10毫秒)的PT1元件。
作为比较，上部视图的相同的受噪音干扰的信号V’1,pcc直接经由PT1滤波器滤波，所述PT1滤波器与这两个滤波器块76和78相同地参数化。借助于PT1滤波器的这种直接滤波的结果在下部图表中以虚线示出并且表示为VPTIR。除了肯定可以通过调整PT1滤波器的增益来调整的幅度减小以外，还能够清楚地识别几乎90度的相移。这实际上也反映了由PT1滤波器已知的相位特性。
因此看到，所提出的滤波提供了非常好的滤波器结果，该滤波不仅有针对性地适配于三相信号，而且还特别是考虑到期望正弦信号的事实。特别是要强调相位保真度。借助在此在内部使用的PT1滤波器，仅在有大的相移或大的相位滞后的情况下，具有类似的滤波器质量的，即类似的噪声抑制的直接滤波才是可行的。替选地，也能够使用特别是更高阶的明显更复杂的滤波器，以便特别是减少相位延迟的问题。但是，这个滤波器于是必须复杂得多地设计，能够非常准确地匹配于所期望的噪声性质，从而可能相对于要滤波的信号的变化，特别是相对于叠加的干扰变量是不那么鲁棒的。
因此提出一种在用于强电网和弱电网的电网运行中对变流器进行的功率调节，以及一种在微电网运行中具有黑启动能力的变流器。在此也介绍了在微电网运行中的电压和频率调节。
原则上，该调节方法适用于借助不同的主要能量形式的使用，例如，风能设备、电池蓄电器、飞轮和其它形式。此外，设备供电网的自引导构造，例如在不中断的供电(USV)中也是可行的。
因此实现一种可能性，借助变流器对同步电机进行仿真。这也基于以下知识。同步电机仿真在提升通过功率电子仪器控制的负载和能够引导至基于功率电子仪器的能量供应系统的发电机单元的份额方面是尤其重要的。这种系统同时会带来电网不稳定性，因为例如在电网频率改变时，不再存在传统的发电厂发电机的惯性矩或所储存的旋转能，但是能够通过有针对性的调节策略来仿真。因此，这在虚拟同步电机的适宜的参数化中对与频率相关的不同现象产生正面影响，所述现象例如为在大型发电厂单元或高压直流输电失效后的频率骤降。频率振荡也可能是相关的。
在失去供电网之后，尤其在失去联合电网之后，能够通过黑启动能力来形成微电网系统，在所述微电网系统中能够由变流器预设电网电压和频率。
在利用经过电流调节的变流器的条件下实现同步电机的核心方程的使用以简单地进行电流限制。
在黑启动和在从无负载切换到微电网运行中以及返回的情况下优选使用用于微电网的电网形成的方法。
还提出，为了生成正弦的期望值电流，使用如在方程(10)中示出的电压的瞬时值。变流器的所测量到的端电压不是正弦状的并且能够包含许多谐波，因此在计算期望值电流时可能会出现问题，并且在不利的情况下可能导致不稳定。与abc坐标系中的滤波过程相比，端电压成为qd分量的滤波过程在稳定状态下引起具有小的滤波器时间常数的更好的电压质量，而不必补偿幅度和相移。
根据方程(9)的虚拟阻抗根据运行模式自适应地调整，使得至少根据一个实施形式确保调节稳定性。
特别是也能够实现具有以下特性的经电流调节的变流器的稳定运行：
在没有接通负载的情况下通过将电压施加在变流器端子上来进行黑启动。
切换到带负载的微电网运行，并且在此将电压和频率调节为可选择的期望值。
与现有电网同步，并且根据电网频率和电压快速调节有功和无功功率。
即使在非常小的短路比下也进行电网运行。
特别是参考以下文献：
[Lit1]P.C.Krause,O.Wasynczuk和S.D.Sudhoff著,“Analysis of ElectricMachinery and Drive Systems”,第二版，纽约，2002年，John Wiley&Sons.

Claims (18)

1.一种尤其借助于风能设备利用逆变器在电网连接点处将电功率馈入三相供电网中的方法，所述方法包括下述步骤：
-尤其在所述电网连接点处检测电网电压，
-利用电机模型确定虚拟发电机电压，所述电机模型对同步电机的性能进行仿真，
-配置所检测到的电网电压以与所述虚拟发电机电压进行比较，
-根据所述虚拟发电机电压并且根据为了比较而配置的所述电网电压将期望电流预设为馈电电流的预设值，
-根据所述期望电流产生所述馈电电流并且将所产生的所述馈电电流在所述电网连接点处馈入所述供电网中，其中
配置所检测到的所述电网电压以与所述虚拟发电机电压进行比较包括：将所检测到的所述电网电压变换为空间矢量描述。
2.根据权利要求1所述的所述，
其特征在于，
将所检测到的所述电网电压变换为空间矢量描述是d/q变换。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
将已经变换为空间矢量描述的所述电网电压在所述空间矢量描述中滤波并且紧接着进行逆变换，使得根据所述虚拟发电机电压并且根据逆变换的所述电网电压预设所述期望电流。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
所述电机模型以具有定子和发电机转子的虚拟同步电机为基础，并且为了确定所述发电机电压，所述电机模型使用下述列表中的一个、多个或所有变量：
-发电机转子的虚拟转动角(θ)，
-发电机转子的虚拟转速(ω)，
-虚拟励磁电压，
-虚拟定子电流，
-发电机转子的虚拟惯性矩(J)，
-发电机转子的虚拟转矩(Te)，和
-发电机转子的虚拟摩擦力(Dp)。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
-将所产生的馈电电流用作为虚拟定子电流，并且随后或替选地
-可设定所述虚拟惯性矩(J)。
6.根据权利要求4或5所述的方法，
其特征在于，
根据电网状态或电网特性设定所述虚拟惯性矩(J)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
考虑虚拟阻抗以预设所述期望电流，所述虚拟阻抗被考虑为在所述电机模型的或所述虚拟同步电机的输出端与所述电网连接点之间的阻抗，并且所述虚拟阻抗的大小是能够改变的。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，
根据以下来选择所述虚拟阻抗：
-在所述供电网的正常状态下是否馈电，或者
-在所述供电网中断或已经失效之后是否在重建模式中馈电，并且在所述重建模式中所述供电网必须不断提高功率到正常的工作点中。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在所述电机模型中，
-形成在虚拟转速和参考转速之间的转速差，
-将所述虚拟转速的滤波后的值或预设的频率用作为参考转速，
-经由差分转速增益相对于辅助转矩计算差分转速，
-所述辅助转矩经由求和点作用于所述电机模型的所述虚拟惯性矩，以便因此将所述虚拟转速调节为所述参考转速，其中优选
-为了使所述电机模型与所述供电网同步，将所述差分转速置为零。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-为了使所述电机模型与所述供电网同步，
-期望功率的值为零，
-使用计算模型来进行计算，
-内部的虚拟发电机电压，和/或
-一个或所述虚拟转矩(Te)，其中
使用所述计算模型来计算下述列表中的一个、多个或所有变量，所述列表包括：
-所述发电机转子的一个或所述虚拟转动角(θ)，
-所述发电机转子的一个或所述虚拟转速(ω)，
-一个或所述虚拟励磁电压，和
-所述馈电电流或所述期望电流，其中
尤其，不检测所述供电网的频率。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-一个或所述虚拟励磁电压至少根据
-预设的无功功率并且可选地
-根据在所述电网连接点处预设的电网电压确定。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在空间矢量描述中，尤其根据d/q变换计算所述电机模型的电变量。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
借助于公差带方法产生所述馈电电流。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在微电网运行中，如果所述逆变器预设所述电网频率，那么
-所述虚拟转速(ω)与预设的电网频率相关，尤其使得根据在虚拟转速和预设的电网频率之间的差来调节在所述电机模型中作用的一个或所述辅助转矩，和/或
-所述虚拟励磁电压
-与所述供电网的预设电压和所述供电网的所检测到的电压相关，尤其使得根据在所述预设的电压和所检测到的电压之间的差来调节辅助无功功率值，所述虚拟励磁电压与该辅助无功功率值相关。
15.根据权利要求14所述的方法，
其特征在于，
在所述微电网运行中
-所述辅助转矩经由PI调节器调节，和
-所述虚拟转速尤其通过差分力矩关于积分时间常数(I/J)的积分产生，所述差分力矩是所述辅助转矩和所述虚拟的电转矩之间的差，和/或
-所述辅助无功功率值经由PI调节器调节，和
-所述虚拟励磁电压尤其通过差分无功功率关于积分时间常数(G)的积分产生，所述差分无功功率是所述辅助无功功率和所检测到的无功功率之间的差。
16.一种用于将电功率在电网连接点处馈入三相供电网中的风能设备，所述风能设备包括：
-用于产生馈电电流的逆变器，
-用于检测电网电压，尤其在电网连接点处检测所述电网电压的检测机构，
-用于控制馈电的控制装置，并且所述控制装置配置用于执行包括如下步骤的方法：
-利用电机模型确定虚拟发电机电压，所述电机模型对同步电机的性能进行仿真，
-配置所检测到的所述电网电压以与所述虚拟发电机电压进行比较，和
-根据所述虚拟发电机电压并且根据配置用于进行比较的所述电网电压来预设期望电流作为所述馈电电流的预设值，其中
-所述逆变器配置用于，根据所述期望电流产生所述馈电电流，并且将所产生的所述馈电电流在所述电网连接点处馈入所述供电网中，其中
配置所检测到的所述电网电压以与所述虚拟发电机电压进行比较包括：将所检测到的所述电网电压变换为空间矢量描述。
17.根据权利要求16所述的风能设备，
其特征在于，
所述风能设备，尤其是所述控制装置，配置用于执行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。
18.一种风电场，所述风电场具有多个风能设备，其中
-使用根据权利要求16或17的风能设备，和/或
-设有场馈电装置，尤其是场逆变器，所述场馈电装置连接到电网连接点上并且配置用于执行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。
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