CN112653181A - 借助于风力设备将电力影响电压地馈送到供电网中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及借助于风力设备将电力影响电压地馈送到供电网中的方法。一种用于借助于风力设备(100)将电力馈送到具有电网电压的供电网(212)中的方法，并且风力设备(100)包括：发电机(201)，用于生成发电机电流(IG)；连接至发电机(201)的有源整流器(202)，用于将发电机电流(IG)整流成整流电流(IDC)；连接至有源整流器(202)并且具有中间电路电压(UZK)的直流电压中间电路(204)，用于接收整流电流(IDC)；连接至直流电压中间电路(204)的斩波器电路(208)，用于将多余能量转移出直流电压中间电路；连接至直流电压中间电路(204)的换流器(210)，用于生成馈送到供电网(212)中的馈入电流(INet)；其中，馈送以影响电压方式进行。

Description

借助于风力设备将电力影响电压地馈送到供电网中的方法
技术领域
本发明涉及用于借助于风力设备将电力馈送到供电网中的方法。本发明还涉及相应的风力设备。
背景技术
风力设备是已知的。风力设备将电力馈送到供电网中。风力设备通常以影响电流形式馈送到供电网中。这尤其意味着，下述大型发电站预定义供电网的电网电压：所述大型发电站还耦接至供电网，并且借助于直接耦接的同步发电机馈送到供电网中。大型发电站在此还指定供电网的频率和相位，即，电网电压的频率和相位。这样的大型发电站因此指定电压，并且从而以影响电压方式工作。这尤其也由同步发电机的物理性质引起。
风力设备的馈送因此被定向至以该方式预定义的该电压，并且风力设备馈送与所述电压匹配的馈电电流。即使起作用，电压在此也只是起辅助作用。必须考虑的是，为了影响电压，设定或改变了无功(reactive)电流分量，但是并未出现作为最重要的调节目标的电压的规范。而是，特别地，以下电力被馈入：该电力的量值取决于由于风力条件而可获得多少功率。只有在特殊情况下，才考虑有功功率(real power)的变化。
在影响电压地馈送的情况下，要馈入的或者使得在供电网中可获得的电压的规范至关重要。风力设备因此试图以预定义的电压水平进行馈送，并且在供电网中尽可能地保持该电压水平，并且尤其以该方式继续进行。在此也确实会产生馈入电流，倒是只是起到达到目的的手段的作用。
影响电压馈送和影响电流馈送分别是具有以上说明的含义的技术术语。
到现在为止，风力设备通常不以影响电压方式馈送，因为在存在供电网的电压变化时，向电压引导的供电网中的这样的影响电压馈送可以与有功功率的高变化相关联。风力设备不希望这样的功率变化，并且由于风是主要能源，因此这样的功率变化也只能在有限的程度上可用。
然而，风力设备在许多地区或许多供电网中起着越来越重要的作用，并且越来越多地供应馈送到供电网中的更大份额的电力。因此，可以期望风力设备也以影响电压方式来供应其馈电，或者在某些情况下，甚至作为以影响电压方式进行工作的唯一馈电。这是在常规的大型发电站不再永久地或暂时地馈送到供电网或相关电网网段中的情况下的特殊的考虑。
借助于风力设备的影响电压馈送可能出现的另一个问题是，电网电压的突然电压变化可以导致通过风力设备馈送的有功功率的相应的显著变化，并且尤其是还导致该有功功率的相应的快速变化。这样的快速功率变化可以类似地导致风力设备的发电机的转矩的快速变化。特别地，馈送的功率的几乎突然的变化可以导致风力设备的转矩——即，发电机的转矩——的相应的突然的变化或几乎突然的变化。取决于转矩的这样的阶跃(step)的高度，或者实际上取决于转矩的任何快速变化，它可以引起风力设备的机械应力或者甚至机械危害。
因此，本发明基于解决以上提及的问题中的至少一个问题的目的。具体地，应当建立下述解决方案：利用该解决方案，风力设备可以以影响电压方式馈送到供电网中，而不会使风力设备经历机械过载。至少应当提出作为目前已知解决方案的替选的解决方案。
发明内容
根据本发明提出了如权利要求1所要求保护的方法。该方法因此涉及借助于风力设备将电力馈送到具有电网电压的供电网中。以此为基础，采取风力设备，该风力设备包括发电机、有源整流器、直流电压中间电路以及斩波器电路和换流器。利用发电机生成发电机电流，即通常是定子电流。在这方面特别提出，将同步发电机用作发电机。该发电机可以被单独地激励，或者可以包括永磁体。
使用有源整流器将产生的该发电机电流——即，特别是定子电流——整流成直流电流，该直流电流在此被称为整流电流，并且被供应至直流电压中间电路，即，被馈送到直流电压中间电路中。直流电压中间电路接收该整流电流或者该整流电流随其带来的能量。有源整流器也可以称为发电机侧换流器，因为它建立了整流电流与产生的发电机电流之间的关系，其中，通常能量仅从发电机流向直流电压中间电路。然而，在特殊情况下，可能并非如此。为了避免与电网侧换流器混淆，此处使用术语有源整流器。
因此，具体地，该有源整流器对产生的发电机电流进行整流，并且由此也可以控制或调整直流电压中间电路的中间电路电压。此外，也可以利用有源整流器来控制产生的发电机电流，即，特别是发电机的定子电流。因此也可以利用有源整流器来控制或至少影响发电机的转矩。如果发电机被设计为永久激励的同步发电机，则对发电机的电转矩的控制基本上是借助于定子电流并且从而使用有源整流器进行的。
换流器连接至直流电压中间电路，以便生成馈送到供电网中的馈入电流。由于该换流器连接至供电网，因此该换流器构成了电网侧换流器，然而可以在该换流器与供电网之间连接其他元件，例如变压器。每当在下面提及换流器时，总是意指该电网侧换流器，而将所述发电机侧换流器称为有源整流器。
然后提出，以影响电压方式进行馈送。换流器因此通过调整馈入的电流来抵消电网电压与电压设定点值的偏差。出于该目的，可以在换流器的输出端子处指定输出电压，并且影响电压馈送调整在输出端子处的该电压，电流——即，馈入电流——的水平由该电压产生。因此，基于直接调节的输出电压产生电流，直接调节的输出电压的特征还在于：端子处的电压保持恒定。特别地，以固定的精度调整电压。调整电压是调节的主要目的。影响电压馈送特别地是指其中馈送装置(在这种情况下为风力设备)还控制馈入的电压的水平的馈送。
现在提出，出于此目的，有源整流器具有较低电流限制(lower current limit)，也可以简称为电流限制或直流电流限制，以便限制整流电流的下降，以在发生电网电压的幅度和/或相角变化的情况下保护发电机。为了实现该目的，可以监控整流电流的水平，或者也可以监控要被整流的发电机电流的水平，特别是定子电流的水平。此处尤其应当认识到，电网电压的电压的升高或电网电压的角度的变化——尤其是相对于风力设备的输出端子处的电压角度的电网电压的角度的变化——导致馈入的有功功率的减小。这对直流电压中间电路有影响，直流电压中间电路又可以导致整流电流减小。可以通过较低电流限制来避免整流电流的太大的减小，从而避免了因发电机中的转矩的过快变化而引起的机械过载。较低电流限制因此还限制了发电机功率，并且还限制了发电机电流，特别是定子电流。发电机功率、发电机电流或定子电流还可以受到下限限制，具有相同的效果。这类似地与通过较低电流限制来限制整流电流相对应，因为由此也限制了整流电流。
在此提出，根据风力发电设备的工作点来设定和修改较低电流限制。这尤其根据有源整流器的工作点来进行。
然而也确实描述实施方式的相关形式的清楚示例在于：首先要对较低电流限制进行调整，使得至少在该水平的整流电流开始变化时，较低电流限制相对于最大整流电流或额定整流电流比当时的整流电流低5％至15％，尤其是10％。
应当通过较低电流限制来避免发电机的转矩的太大变化。因此提出，较低电流限制然而随着时间进一步变化，尤其是在整流电流已经达到较低电流限制时，也就是，即尤其是已经降到较低电流限制时的值。有源整流器的该较低电流限制此处被称为整流电流限制。如果已经达到较低电流限制，则较低电流限制然而可以进一步变化，特别是进一步降低，以便在必要时允许整流电流进一步减小。唯一重要的事情是整流电流在预定时间内不会出现过大变化。
同样还有可能限制发电机电流，特别是定子电流，这至少在对作为交流电流的发电机电流的限制与产生的发电机电流的有功部分(real component)有关时可以具有与限制整流电流相同的作用。在此程度上，更容易限制整流电流；然而，以所述方式限制产生的发电机电流从根本上导致相同的结果。
此外提出，斩波器电路被控制成使得：斩波器电路将由于有源整流器的较低电流限制而在直流电压中间电路中出现的多余能量或多余能量的一部分转移出直流电压中间电路。在此特别认识到，有源整流器的较低电流限制——也就是说，整流电流限制——可以导致在直流电压中间电路中出现多余能量。特别地，多余能量的这种出现可以表示：发电机正在将比馈送至供电网中的能量或功率多的能量或功率馈送至直流电压中间电路中。可以由斩波器电路转移该能量。
斩波器电路在此尤其以下述方式工作：该方式使得斩波器电路使用脉冲方法通过适当地切换一个或多个半导体开关而产生从直流电压中间电路通过斩波器电阻器的脉冲电流。此处转移的能量转化为斩波器电阻器中的热。
以这种方式，特别地，可能实现：馈入的有功电流的电流可能发生甚至非常强烈的变化，以便抵消升高的电网电压、电网相角的变化或电网频率的增大。由此可以避免风力设备的机械过载，尤其是发电机转矩的过度变化或过快的变化。同时，为了实现该影响电压馈送，仅需要很小的设备支出，可能不需要另外的设备支出。特别地，可以避免超出中间电路电容器的另外的能量存储装置，例如电池组或其他电能存储装置。
根据实施方式的一种形式，提出了中间电路电压一达到触发电压，斩波器电路就从直流电压中间电路转移能量。斩波器电路因此可以以简单方式实现，因为其监控中间电路电压。如果中间电路电压变得太高，则斩波器电路开始转移能量，这也可以称为斩波。
这与通过控制整流电流来调节中间电路电压的有源整流器一起作用，以便将中间电路电压调节至在触发电压以下的值或范围。通常，有源整流器因此将中间电路电压调节至期望值或至少调节至期望电压范围。此处未达到触发电压，因此斩波器电路保持不起作用。
然而，进一步提出，该方法以下述方式起作用：该方式使得当整流电流已经达到整流电流限制并且因此受到限制时，中间电路电压继续升高。中间电路电压继续升高直到其已经达到触发电压。最终结果是斩波器电路做出响应并且能量从直流电压中间电路转移。
认识到，斩波器电路从根本上被设计成从直流电压中间电路转移能量。如果直流电压中间电路达到触发电压，则该能量的转移开始，因此也抵消了直流电压中间电路中的中间电路电压的进一步升高。
通过调节中间电路电压的优选的有源整流器，原则上可以保持中间电路电压，而不会在期望的电压值处或期望的电压范围(即，电压带)内损失能量。这是电网侧换流器从其将电力馈送到供电网中的良好基础。
然而，认识到，在影响电压馈送的情况下，该原本有利的有源整流器可能对发电机产生机械应力。作为影响电压馈送的结果，电网电压的电压的相应变化可以导致馈入的有功功率的相应的快速、显著的变化。这在直流电压中间电路中变得明显，并且有源整流器试图对此进行调整。因此，如果馈入的有功功率减小，则馈入电流或馈入电流的有功部分也减小。通过对中间电路电压的调整，整流电流由于有源整流器而减小，并且因此发电机电流或定子电流也由于有源整流器而减小。这导致发电机转矩的相应减小。如果这些过程快速发生，即特别是突然发生，则也出现发电机转矩的相应快速变化或突然变化。
斩波器电路无法防止这种情况，并且保持不起作用，因为有源整流器调整中间电路电压，并且因此未达到触发电压。
已经认识到该问题，并且因此提出限制整流电流，即通过较低整流电流限制来限制整流电流。作为较低整流电流限制的结果，整流电流不会降到否则将因馈入的有功功率的变化而引起的程度，并且因此，产生的发电机电流或定子电流不会降到否则将因馈入的有功功率的变化而引起的程度。作为馈入的有功功率减少的结果，发电机因此生成比馈入到供电网中的电力和能量更多的电力以及因此更多的能量。直流电压中间电路中的能量升高，并且中间电路电压也随之升高，直到中间电路电压已经达到触发电压。提出的整流电流限制因此导致中间电路电压的这种增大，并且因此触发斩波器电路。这导致有源整流器与斩波器电路之间的相互作用。这种相互作用具有下述性质：有源整流器防止发电机转矩的太大变化，而斩波器电路转移因此产生的多余能量。
根据实施方式的一种形式，提出了斩波器电路具有斩波器下降(droop)函数，该斩波器下降函数指定超过触发电压的中间电路电压的电压值与要从直流电压中间电路转移的功率(此处称为斩波器功率)之间的关系。斩波器下降函数尤其可以将该关系表示为线性关系。因此，中间电路电压超过触发电压越强，通过斩波器电路转移的功率就越多。
通过这种方式，可以实现：中间电路电压可以超过触发电压，并且仍然可以继续升高。然后，中间电路电压处于触发电压之上的距离使得可以推断出斩波器电路此时转移了多少功率。取决于中间电路电压，并且尤其取决于中间电路电压超过触发电压的电压值，电网侧换流器例如然后可以以适当地调整有功功率的方式来控制馈入的有功功率或者调整输出电压的幅度、相角和频率。
例如，可以认为电网电压的突然增大或电网的相角的突然变化引起馈入的有功功率的突然减小，这又可以导致对整流电流的向下限制，结果是中间电路电压升高并且斩波器电路触发。如果电网电压现在突然跳回，则这将导致馈入的有功功率的突然增大。如果该功率的突然增大对发电机(即，对其转矩)具有相应的影响，这也可以对发电机产生应力。在这种情况下，可以限制馈入的有功功率的这种功率增大。然而，如果可以识别出斩波器电路正在转移高功率，则上述对馈入的有功功率的增大的限制可以是不必要的或者可以较小。至少将有可能在没有进一步考虑的情况下使馈入的有功功率增大如下量：通过该量，斩波器电路从直流电压中间电路转移有功功率。
在实现时，这可以简单地意指电网侧换流器能够增大它正在馈入的有功功率，特别地，中间电路电压越高，电网侧换流器就可以以越突然的方式增大正在馈入的有功功率。
根据实施方式的一种形式，提出了：
-提供调节规范，尤其是调节下降函数，以调节中间电路电压，并且调节规范包括：
-整流器调节，尤其是整流器下降函数，以及斩波器调节，尤其是斩波器下降函数，其中，
-整流器调节指定中间电路电压与要通过有源整流器设定的整流电流之间的关系，使得：
-要设定的整流电流随着中间电路电压的升高而下降，尤其是线性下降，直到整流电流已经达到较低电流限制；以及
-要设定的整流电流在中间电路电压继续升高时保持在该较低电流限制处，并且
-斩波器调节指定中间电路电压与要由斩波器电路从中间电路转移的斩波器功率之间的关系，使得：
-中间电路电压一超过触发电压，斩波器功率就随中间电路电压的升高而增大，其中，
-较低电流限制和/或触发电压是可变的，并且尤其是根据风力设备的工作点而变化。
因此，中间电路调节由整流器调节与斩波器调节之间的相互作用形成。整流器调节器和斩波器调节器两者可以均被设计为下述下降函数：在该下降函数中，中间电路电压与整流电流之间的关系或者中间电路电压与斩波器功率之间的关系被线性地表示，即，在每种情况下至少分段地被表示为具有预定义的梯度的直线。
在任何情况下，整流器调节都根据中间电路电压来控制要设定的整流电流，即，使得随着中间电路电压越大，整流电流越小，直至较低电流限制。发电机功率因此也被控制，从而发电机转矩也被控制。发电机转矩可以受到较低电流限制的限制，或者发电机转矩的太大下降可以被限制。代替控制整流电流，整流器调节可以替选地直接控制发电机功率，并且因此指定较低功率限制。这具有相同的效果。
如果中间电路电压现在持续升高，则整流电流或发电机功率不再减小，并且因此不继续抵消中间电路电压的进一步升高。斩波器调节现在可以接管来自中间电路的功率，并且可以将来自中间电路的功率转移为斩波器功率，以便以此方式抵消中间电路电压的进一步升高。由于斩波器功率是被转移的功率，因此斩波器功率(即斩波器功率的量值)随着中间电路电压的进一步升高而升高至中间电路电压超过触发电压的程度。如果中间电路电压处于触发电压以下，则斩波器电路保持不活动。
然而，由于不应当绝对地限制发电机的转矩，而是仅限制发电机的转矩的太快和太大的变化，因此提出使较低电流限制和触发电压能够改变，尤其是使较低电流限制和触发电压能够动态地改变。
这应当尽可能取决于风力设备的工作点，特别是取决于整流电流。以此方式，可以使较低电流限制跟随整流电流，然而使得整流电流的变化仍然可能，但是在限制内。此处不仅可以对整流器调节的行为进行适当地调整，而且可以对斩波器调节进行适当地调整。
现在认识到，如果根据较低电流限制来设定触发电压，尤其是(可以说)如果触发电压跟踪较低电流限制，则整流器调节和斩波器调节可以有利地彼此匹配。此处已经认识到，虽然可以将发电机功率并且因此发电机转矩动态地限制在较低电流限制以上，但是可以针对其、通过改变触发电压将为此调整的斩波器调节有效地调整。
特别提出：
-较低电流限制和触发电压取决于彼此而变化，尤其是变化成使得：
-触发电压根据较低电流限制而被设定，并且在较低电流限制存在变化时也会变化，以及/或者
-将触发电压设定为当整流电流已经下降至电流限制时中间电路电压达到的中间电路参考值，以及/或者根据中间电路参考值设定触发电压，特别是，将触发电压设定为与中间电路参考值的差小于5％的值。
由于电流限制，特别是当整流器调节中存在线性关系时，产生相关联的中间电路电压，此处其被称为中间电路参考值。触发电压可以被设定为该中间电路参考值。以这种方式实现了：当中间电路电压超过中间电路参考值时，将中间电路电压的调节从整流器调节转换至斩波器调节。为此，将触发电压置于中间电路参考值处，但是触发电压可以与中间电路参考值略有不同(此处以5％量化)。特别地提出：触发电压比中间电路参考值高出最多5％。
根据实施方式的一种形式提出，有源整流器的较低电流限制被呈现为取决于当时的整流电流的动态函数。因此，较低电流限制不是固定值，而是取决于当时的整流电流，即，取决于当时的整流电流的值。此处尤其要认识到，这不是整流电流的绝对限制的问题，而是应当避免过度急剧的变化。
特别是，有源整流器的较低电流限制被设计成：在静止情况下，它处于低于当时的整流电流的下冲限制处；并且在整流电流下降的情况下，它利用动态函数跟踪直流电流减去下冲差。在静止情况下，有源整流器的较低电流限制因此处于当时的整流电流以下。如果整流电流然后由于电网电压突然变化而突然变化，并且因此电网侧换流器通过突然功率变化做出反应，则整流电流也可以因此立即、快速且突然地变化。整流电流限制因此不会阻碍该电网反应的动态特性。
然而，对于整流电流并且因此对于所产生的发电机电流或定子电流也是允许的这种突然的变化(即其突然幅度的这种突然的变化)也被限制于下冲差。整流电流因此可以瞬间下降至多下冲差。
如果整流电流下降，特别是下降下冲差，则有源整流器的较低电流限制将针对其来调整自身，尽管不是立即进行调整，而是根据动态函数进行调整。在此特别规定，动态函数呈现低通行为，尤其是PT1行为，即根据一阶延迟元件的行为。
为了解释的目的，引入以下示例。如果馈入的功率突然下降例如50％，则整流电流也将希望下降50％。例如，如果将10％设置为与整流电流的额定值有关的下冲差，则可以立即将整流电流减小10％，因为此处的有源整流器的较低电流限制最初在比整流电流的初始值低10％的值处。因此，整流电流现在比其初始值低10％，并且希望进一步减小。现在开始利用动态函数的跟踪。例如，在此可以假设动态函数呈现PT1行为。现在，该动态函数使有源整流器的较低电流限制跟踪那时的整流电流减去下冲差。因此，该动态函数利用PT1行为将较低电流限制从比初始值低10％控制到比初始值低20％。
然而，由于整流电流仍然希望进一步下降，因此它跟随利用低通行为跟踪的该较低电流限制。由那时的整流电流值减去下冲差构成的值因此也下降。由于PT1行为，较低电流限制将因此跟踪连续下降的值。其结果是恒定的梯度，较低电流限制以该梯度下降。
然后，当整流电流达到上面被假定为比其初始值低50％的最终值时，该行为进行变化。然后，整流电流不再下降，并且较低电流限制从根据PT1行为的比初始值低50％的值移动到比整流电流的初始值低60％的最终值。
然而，优选地是，当整流电流再次升高时，较低电流限制进行不同的行为。该行为例如可以是类似的但被配置成具有比PT1行为的时间常数小得多的时间常数。当整流电流上升时，较低电流限制理想地立即跟随由那时的整流电流减去下冲差构成的值。这被优选地提出以阻止整流电流再次上升，但是由于PT1行为，较低电流限制跟踪不够快，并且整流电流然后突然再次下降，从而突然具有大于下冲差的距较低电流限制的距离。因此，当整流电流上升时不应该应用该动态行为，而是应用明显更快的动态行为，或者甚至根本不应用前述行为，而是立即跟踪那时的整流电流值减去下冲差。
根据实施方式的一种形式，提出了，换流器(即电网侧换流器)具有较高换流器电流限制，使得在电网电压的电压下降的情况下，为了保护发电机，馈入电流的上升具有上限。馈入电流原则上可以由有功分量和无功分量组成；然而，在此仅有功分量是相关的，并且在一定程度上，馈入电流也可以理解为馈入的有功电流，或者馈入电流的上升仅涉及有功分量。换句话说，提出了，馈入的有功电流的上升或馈入电流的有功分量的上升具有上限。
在此特别要认识到，在电网电压的电压下降的情况下，可以通过限制馈入电流来实现对风力设备中的机械应力的限制，即，特别是对发电机转矩的限制。此外在此，原则上允许馈入电流的增加，该增加可以是突然的，但仅达到预定值。
优选地，根据风力设备的操作点、尤其是根据换流器的操作点以及/或者根据中间电路电压的操作点来设置和修改较高换流器电流限制。特别地是，提出根据馈入电流来设置和修改换流器电流限制。在此再次考虑动态变化，并且要认识到，尤其是突然增加将受到限制。以这种方式可以允许进一步的增加，只要它不以太大的阶跃或太陡的梯度发生。
此外，或者作为替代，也可以考虑中间电路电压。如果中间电路电压高，则可以选择更高的换流器电流限制，并且因此可以允许馈入电流的更显著的变化，以及由此允许馈入的有功功率的更显著的变化。如上所述，在此可以考虑这样的事实，即在高的中间电路电压下，馈送功率的增加最初仅导致通过斩波器电路转移的功率的减少，直到其被消除。这不会导致转矩应力，并且因此不需要被限制。因此，较高换流器电流限制可以考虑这一点，并且可以相应地设置得更高。
优选地，提出了，将较高换流器电流限制配置为根据那时的馈入电流的动态函数。因此，它不是固定的，而是适应于那时的馈入电流。
特别地，换流器电流限制被配置成使得：在静止情况下，该换流器电流限制位于在那时的馈入电流之上的过冲距离处。在任何情况下，这意味着有可能立即增加馈入电流，并且由此增加馈入的有功功率，但是仅能达到该过冲差的值。
在馈入电流上升的情况下，换流器电流限制利用动态函数跟踪馈入电流加上过冲差。此外在此，如在有源整流器的较低电流限制中那样，提出具有低通行为(特别是PT1行为)的动态函数。在这方面关于有源整流器的较低电流限制描述的解释原则上适用于馈入电流的上升。此外这里相应地提出，在馈入电流下降的情况下，它不是通过相同的PT1行为进行跟踪，而是以快速动态行为来跟踪，或者在没有动态行为的情况下立即进行跟踪。
过冲差优选地取决于中间电路电压。特别地，过冲差可以由取决于中间电路电压的值和另外的值(例如可以具有固定定义的值)相加地构成。特别地，提出了过冲差取决于中间电路电压超过触发电压的过冲值。因此，触发电压是斩波器电路响应并转移功率的电压。中间电路电压比该触发电压越高，则可以选择的过冲差就越大。
过冲差优选地由第一局部值和第二局部值相加地构成。第一局部值取决于换流器和/或可以被预定义，而第二局部值取决于中间电路电压。优选地，第二局部值与中间电路电压超过触发电压的过冲值成比例。
根据实施方式的一种形式提出，将馈入的有功功率的提高限制为在相对于馈入的有功功率或相对于风力设备的额定功率比馈入的有功功率高5％至20％的范围内的值。同时提出，允许馈入的有功功率相对于馈入的有功功率或相对于风力设备的额定功率降低高达-100％的值。因此，有功功率可以提高5％至20％，或者可以降低至风力设备从供电网吸取有功功率的程度，即，降低至风力设备已经馈送的值，或者甚至降低至与风力设备的额定功率对应的值。
在此尤其要认识到，如果设置了适当的限制，则在没有大的能量存储器(即没有电池站)的情况下，也可以实现影响电压馈送。在这种情况下认识到，有功功率仅可以在有限的程度上增加，然而，即使在没有这种大的能量存储器的情况下，馈送的有功功率可以在很大程度上降低。这种降低甚至可以达到如此程度，以致于将具有风力设备的额定功率的量值的有功功率从供电网中抽出。在此通过所描述的措施避免了风力设备的机械过载。
根据本发明还提出了风力设备。该风力设备如上面结合对馈送方法的说明所解释的那样来设计。在此，风力设备包括被准备以用于适当地控制馈送的设备控制器。为此目的，设备控制器可以包括对应的过程计算机，该过程计算机尤其可以控制电网侧换流器、斩波器电路以及/或者有源整流器。
特别地是提出了，准备风力设备，特别是准备其设备控制器，以执行根据上述实施方式的形式之一的方法。
附图说明
下面将基于实施方式的形式并参照附图更详细地解释本发明。
图1示出了风力设备的示意图。
图2示意性地示出了风力设备的从发电机到供电网的电力路径。
图3示出了具有用于解释所提出的增加馈入电流的方法的两个局部图的图。
图4示出了具有用于解释所提出的减小馈入电流的方法的两个局部图的图。
具体实施方式
图1示出了具有塔架102和机舱104的风力设备100。具有三个转子叶片108和旋转器(spinner)110的转子106布置在机舱104处。转子106在操作时被设置为通过风进行旋转运动，由此来驱动机舱104中的发电机。
风力设备100在此包括设置在机舱104中的发电机101。电力可以借助于发电机101而生成。提供用于馈送电力的馈送单元105，并且特别地可以将馈送单元105设计为换流器。利用该馈送单元105，可以根据幅度、频率以及相位生成三相馈入电流和/或三相馈入电压，以用于将其馈入至电网连接点PCC。这可以直接进行，或者与风电场中的其他风力设备一起进行。提供设备控制器103以用于控制风力设备100以及馈送单元105。设备控制器103还可以从外部，特别是从中央场计算机接收指定值。
图2示出了电力的电力路径。电力路径从发电机201出发，该发电机可以设计为同步发电机并且生成交流电流(尤其是定子电流)作为发电机电流IG。发电机电流IG由有源整流器202整流，并且作为整流电流IDC传递至直流电压中间电路204。由此也控制发电机电流IG(尤其是定子电流)。由此，也可以控制发电机电流IG，当从供电网吸取电力时，发电机电流IG将电力输入到发电机中。
直流电压中间电路204包括也可以被称为平滑电容器的中间电路电容器206。可以转移电力并由此将电能从直流电压中间电路转移出来的斩波器电路208也连接至直流电压中间电路204。
利用电网侧换流器210根据直流电压中间电路204将馈入电流生成为交流电流，以由此将电力(即有功功率)馈入到供电网212中。变压器214也布置在换流器210与供电网212之间。
风力设备，尤其是电网侧换流器210，在此以影响电压的方式，尤其是以电网形成的方式操作。
整流器202在此与斩波器电路208一起执行直流电压中间电路的调节，即中间电路电压的调节。这种调节可以被称为中间电路调节216。整流器202执行包括整流电流的较低电流限制的中间电路电压的调节。如果达到较低电流限制，则整流器202不可以再维持中间电路电压，并且斩波器电路208然后可以接管中间电路电压的调节。因此，整流器202和斩波器电路208一起执行中间电路电压的调节。因此，这与以下变型有所区分：在该变型中，整流器在没有较低电流限制或具有非常高的较低电流限制的情况下单独执行中间电路电压的调节。
此外，在换流器210中实现动态电流限制218，该动态电流限制防止馈入电流的过大跳变，以由此避免发电机处的转矩的大跳变。
图3示出了解释所提出的方法的操作模式的至少一部分的两个局部图。
在上面的图中针对示例性情况示出了馈入供电网的馈入电流INet和相关联的转矩MGen的时间曲线。
在示例性情况下，假设在电网中出现了高于那时的馈入电流的大电流脉冲。为了该目的，设置较低电流限制302，馈入电流达到该较低电流限制，并且该较低电流限制例如可以比那时的馈入电流高出额定电流IN的10％。因此，在该示例中，在正方向上的最大电流、功率和转矩脉冲为10％。因此，动态电流限制允许对应于电流限制减去那时的电流的转矩脉冲。因此，该电流限制302如双箭头所示是可移动的。脉冲在时间点t2处开始，并且在时间点t3处结束；在这两个时间点之间，结果是在中间时间段起作用的调整功率PA，如双箭头所示，即使其高度受到限制。因此，可以在风力设备不过载的情况下对其进行调节。
该限制也可以使用中间电路调节的下降函数来完成。然后，当中间电路电压崩溃(collapse)时，电网侧影响电压换流器将限制馈入电流。然后，它将通过中间电路电压识别其电流限制。
跟随转矩的跳变，跟随PT1特性将限制带向那时的工作点。延迟特性由允许的机械负载产生。
图3的下局部图示出了可以如何借助于适当设置的下降函数来实现该方法。下降函数指定关系，特别是输入量值与输出量值之间的线性关系。整流器下降函数320在这里被作为基础，给出了中间电路电压UZK与发电机功率PGen之间的关系。整流器下降函数320被示为实线。为了简单起见，这里以稍微高于坐标轴的水平示出了整流器下降函数，其中，坐标轴标记正常值或平均值。在低的中间电路电压处，发电机功率PGen根据整流器下降函数320相应地增加，直到最大值。
在所示的示例中，在时间点t1处仍然没有电流脉冲或电流跳变。为了更好的定向，在下局部图中绘制出来自上局部图的时间点作为直流电压调节的工作点。在时间点t1处，即在正常操作期间，对应的工作点位于整流器的下降函数(即整流器下降函数320)的边缘处。整流器因此执行中间电路电压的调节。
在时间点t2处发生电流脉冲；这可以通过电网电压中的相位跳变来触发，由此中间电路电压下降，这改变了工作点。发电机功率PGen因此根据整流器下降函数320上升到最大值。针对电网侧换流器的电流限制对其进行调节。
在该示例中，未使用也被绘制且被示为虚线的斩波器下降函数330，因为中间电路电压降到其额定值以下，并且因此不触发斩波器电路。整流器下降函数320以及斩波器下降函数330是动态可变的，并且在这里表示整流器调节或斩波器调节。特别地，针对整流器特性320提出了可以为此目的而改变其端值。这可以通过第一双变化箭头322和第二双变化箭头324来表示。
整流器特性320的下端值在此形成较低功率限制325，较低功率限制325可以通过较低电流限制来实现，或者反之亦然。如双变化箭头324所示，该较低功率限制325是动态可变的。整流器特性320的边缘达到中间电路电压UZK的中间电路参考值326。中间电路参考值326也根据已经设置的功率限制325的类型而改变。斩波器特性330可以相应地调整，因为触发电压332处于中间电路参考值326处。这在图3中可以识别到，因为斩波器下降函数330在中间电路参考值326处到达横坐标，即零线。
可替选地，可以提供固定的触发电压332’，其位于在中间电路参考值326以上并且也在中间电路电压UZK的额定电压以上的固定值处。
除了操作点的说明之外，下图的说明与图4的说明相同。上面关于图3所解释的斩波器下降函数330对图3的操作情况没有任何影响。因此下面结合图4示出了以下操作情况：斩波器下降函数330确实具有其影响，特别是与整流器下降函数320协作。
图4因此示出了馈入功率(即，有功功率)突然下降的操作情况。这在这里被称为负的负载跳变。时间t1处仍然存在正常操作，因此如图3中那样，时间点t1被示出在(这里由三条实线表示的)整流器下降函数320的边缘处。整流器下降函数320以及斩波器下降函数330在这里与图3相同，因为当前的图4仅示出了改变的操作情况，而没有示出改变的控制。
在时间t2处发生了馈送功率的突然崩溃，并且因此发生馈入电流INet的突然崩溃(即，负的负载跳变)。作为结果，中间电路电压UZK上升。工作点因此沿着整流器下降函数320而改变。然而，整流器下降函数320随着上升的中间电路电压而下降，直至功率限制325，以因此达到相关联的发电机功率的限制值。另外在此，功率限制325被示出为在标识功率值0的坐标轴之上。
因此，整流器仅在中间电路电压下降到达到整流器下降函数的右侧水平分支的点之后(即，直到达到功率限制325)才操纵整流电流，并因此最终操纵发电机功率。因此，发电机转矩确实稍微下降，但并非完全下降。
然而，工作点(或该工作点)确实落在斩波器下降函数330上，并且随着中间电路电压增加，随斩波器下降函数330进一步下降。触发电压332在此被置于中间电路参考值326处。
斩波器电路相应地从中间电路中吸取功率。作为结果，发电机转矩可以被限制，但是不必限制所馈送的功率的进一步下降。这通过示出馈入电流INet来阐明。在上局部图中将发电机转矩MGen和馈入电流INet分别示出为关于其额定值被归一化，使得在不限制所描述的转矩的情况下，它们必须大致彼此重叠。
在负的负载跳变的情况下，因此通过中间电路调节的下降函数中的动态限制来限制转矩脉冲。
斩波器下降函数330也可以动态地移位，以便接管另外的功率。特别地提出了：为此目的，使触发电压332跟踪中间电路参考值326，由此跟踪功率限制325的变化(即，较低电流限制的变化)。当然，斩波器下降函数330被相应地调整，因为其边缘如双箭头338所示被移位。因此，较低功率限制根据变化箭头324的移位导致斩波器下降函数根据双箭头338的变化。
在图4中，在被校正时，斩波器下降函数330(也可以被称为特性斩波器曲线)的开始因此当然仅从位于中间电路电压的横坐标上的零点处开始。针对特性斩波器曲线的布置，提出了两种可能性。特性斩波器曲线在中间电路调节的整个下降函数的右边，即，根据图3和图4，在整流器下降函数320的边缘的右边，即，在中间电路参考值326的右边。如果整流电流是受限的，即如果发电机功率是受限的，则在斩波器电路变为活动之前，中间电路电压必须首先达到一定水平。作为替代的可能性，这用替代的触发电压332’而绘制。
第二种可能性是向左移位。然后，开始是开始限制电流的中间电路电压(即，在中间电路参考值326处)，其在图3和图4中被绘制为主要变型。因此，与功率限制325的动态限制一起，产生了连续的调节。
在负方向上发电机的最大电流、功率和转矩脉冲是10％。然而，馈入电流可以更快地下降，而没有发电机过载的风险。
斩波器电路(其可以简单地被识别为斩波器)处理附加功率(在这种情况下大约15％)。在t2处形成两个工作点。
跟随转矩的跳变，跟随PT1特性将限制接近那时的工作点。延迟特性由允许的机械负载产生。整流器还延迟地接管在斩波器中转换的功率。
因此，利用所提出的方法，避免或改进了以下情况：
在没有所提出的限制的情况下，电网侧电流脉冲几乎不受阻碍地流入发电机转矩中，该电网侧电流脉冲可以在由于影响电压的馈送而存在电压变化时产生。发电机转矩因此可以同样急剧地上升。然而，即使在负功率梯度的情况下斩波器电路也不会变为有源的，因为由负功率梯度引起的中间电路电压的电压变化将由有源整流器补偿。
斩波器电路仅在发电机侧整流器达到其电流限制时接管。因此，电流、功率以及转矩的跳变将不受限制，并且这种跳变可以达到额定值的100％。
因此，创建了解决方案，其能够利用风力设备提供电网形成性质，而无需(或无需大的)机械系统的尺寸过大，并且无需集成超出通常的中间电路电容器的电存储器。
本发明基于这样的考虑：风力设备的机械系统(也可以标记为WEA)可以承受例如最大10％的转矩跳变。然而，在设备端子处的电网形成性质需要在发电机侧的中间电路调节，这可能导致转矩的高瞬变。其作用就像发电机与电网的直接耦合。
该构思是通过在正负方向上施加电压来限制负载脉冲。在正方向上，即当馈入电流INet的有功馈入功率或相关联的有功功率Iist增加时，这尤其可以由于将输出电流限制为例如Iist+IN的10％而引起。可替选地或附加地，可以动态地调整中间电路调节的下降函数中的限制。
在负方向上，即当馈送功率或相关联的有功功率INet或Iist减小时，优选地通过斩波器下降函数的动态调整和发电机侧转换器的中间电路调节的下降函数的限制来进行限制，发电机侧转换器也可以被称为发电机侧换流器或有源整流器。
在负载脉冲之后的跟踪借助于时间延迟，例如根据PT1行为来进行。
在提高馈送功率的情况下，可以在电网侧的影响电压的换流器处直接进行电流限制，或者急剧崩溃的中间电路电压对电流限制做出反应。如果有源整流器(即，发电机侧整流器)限制转矩跳变，则可能导致这种崩溃的中间电路电压。
传统上，风力设备被构造成使得发电机与电网解耦。中间电路电压的调节通过电网侧换流器来进行。
具有电网形成转换器或换流器的风力设备可以被构造成使得发电机与电网解耦，其中，中间电路调节(即中间电路电压的调节)借助于具有直流斩波器的电池存储器来进行。为此目的，经由斩波器耦接电池存储器，斩波器因此也可以被称为存储装置侧DC/DC斩波器。电池存储器可以执行中间电路电压的调节。
为了避免电池存储器的这种复杂性，提出了具有电网形成转换器或电网形成换流器的风力设备，其中，发电机基本上与电网(即，供电网)耦接，即通过中间电路调节与电网耦接，该中间电路调节是通过发电机侧换流器(也可以称为发电机侧整流器或有源整流器)来进行的。
现在提出，针对具有电网形成转换器或换流器的风力设备，将发电机与电网解耦。为此目的，提出通过斩波器电路与发电机侧有源整流器进行的中间电路调节，该斩波器电路也可以同义地简称为斩波器。在此，转矩调节通过动态的电网侧电流限制来实现。

Claims (10)

1.一种用于借助于风力设备(100)将电力馈送到具有电网电压的供电网(212)中的方法，并且所述风力设备(100)包括：
-发电机(201)，用于生成发电机电流(IG)，
-连接至所述发电机(201)的有源整流器(202)，用于将所述发电机电流(IG)整流成整流电流(IDC)，
-连接至所述有源整流器(202)并且具有中间电路电压(UZK)的直流电压中间电路(204)，用于接收所述整流电流(IDC)，
-连接至所述直流电压中间电路(204)的斩波器电路(208)，用于将多余能量转移出所述直流电压中间电路，
-连接至所述直流电压中间电路(204)的换流器(210)，用于生成馈送到所述供电网(212)中的馈入电流(INet)，其中，
-所述馈送以影响电压方式进行，使得所述换流器(210)通过馈送的电流的调整来抵消所述电网电压与电压设定点值的偏差，
-所述有源整流器(202)具有较低电流限制，以便在所述电网电压的幅度和/或相位存在变化的情况下限制所述整流电流(IDC)的下降以保护所述发电机(201)，
-其中，所述有源整流器(202)的电流限制被称为整流电流限制，并且根据所述风力设备(100)的工作点，特别是根据所述有源整流器(202)的工作点，来设定和改变，以及
-所述斩波器电路(208)被控制成使得：所述斩波器电路将由于所述有源整流器(202)的所述电流限制而在所述直流电压中间电路(204)中出现的多余能量或所述多余能量的一部分转移出所述直流电压中间电路。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
-所述中间电路电压(UZK)一达到触发电压，所述斩波器电路(208)就从所述直流电压中间电路(204)转移能量，
-所述有源整流器(202)通过对所述整流电流(IDC)的控制来调节所述中间电路电压，尤其是利用整流器下降函数来调节所述中间电路电压，以便将所述中间电路电压(UZK)调节至所述触发电压以下的值或范围，其中，
-当所述整流电流(IDC)已经达到所述整流电流限制并且因此受到限制时，所述中间电路电压继续升高并且达到所述触发电压，使得所述斩波器电路(208)做出响应并且将能量转移出所述直流电压中间电路(204)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
-所述斩波器电路(208)具有斩波器下降函数(330)，所述斩波器下降函数(330)指定超过触发电压的所述中间电路电压的电压值与要从所述直流电压中间电路(204)转移的斩波器功率之间的关系，尤其是线性关系。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，
-提供调节规范，尤其是调节下降函数，以调节所述中间电路电压，并且所述调节规范包括：
-整流器调节，尤其是整流器下降函数，以及斩波器调节，尤其是斩波器下降函数，其中，
-所述整流器调节指定所述中间电路电压与要通过所述有源整流器设定的所述整流电流之间的关系，使得：
-要设定的所述整流电流随着所述中间电路电压的升高而下降，尤其是线性下降，直到所述整流电流已经达到所述较低电流限制；以及
-要设定的所述整流电流在所述中间电路电压继续升高时保持在所述较低电流限制处，以及
-所述斩波器调节指定所述中间电路电压与要由所述斩波器电路从所述中间电路转移的斩波器功率之间的关系，使得：
-所述中间电路电压一超过触发电压，所述斩波器功率就随所述中间电路电压的升高而增大，其中，
-所述较低电流限制和/或所述触发电压是可变的，并且尤其是根据所述风力设备的工作点而变化，其中，特别地，
-所述较低电流限制和所述触发电压根据彼此而变化，尤其是使得：
-所述触发电压根据所述较低电流限制来设定，并且在所述较低电流限制存在变化时也变化，以及/或者
-所述触发电压被设定为当所述整流电流已经下降至所述电流限制时所述中间电路电压达到的中间电路参考值，以及/或者所述触发电压根据所述中间电路参考值来设定，尤其是设定为与所述中间电路参考值相差小于5％的值。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，
-所述有源整流器(202)的所述电流限制被设计为根据当时的所述整流电流(IDC)的动态函数，尤其是被设计成使得：
-在静止情况下，比当时的所述整流电流低下冲差，以及
-在所述整流电流下降的情况下，所述有源整流器(202)的所述电流限制利用动态函数跟踪所述整流电流减去所述下冲差，其中，
-所述动态函数具有低通行为，尤其是PT1行为。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，
-所述换流器(210)具有较高换流器电流限制，以便在所述电网电压的电压下降的情况下，对所述馈入电流(INet)的升高设置上限，以保护所述发电机(201)，其中，特别地，
-所述较高换流器电流限制根据所述风力设备(100)的工作点，尤其是所述换流器(210)的工作点和/或所述中间电路电压的工作点，来设定和改变。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，
-较高换流器电流限制被设计为根据当时的所述馈入电流(INet)的动态函数，尤其是被设计成使得：
-在静止情况下，所述较高换流器电流限制比当时的所述馈入电流(INet)高过冲差，以及
-在所述馈入电流(INet)升高的情况下，所述较高换流器电流限制利用动态函数跟踪所述馈入电流(INet)加上所述过冲差，其中，
-所述动态函数具有低通行为，尤其是PT1行为，其中，优选地，
-所述过冲差根据所述中间电路电压，尤其是根据过冲值，所述中间电路电压超过触发电压所述过冲值。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，
-馈入的有功功率的增大被限制为在相对于所述馈入的有功功率或者相对于所述风力设备(100)的额定功率比所述馈入的有功功率高5％至20％的范围内的值，其中，
-允许所述馈入的有功功率相对于所述馈入的有功功率或者相对于所述风力设备(100)的额定功率减少多达-100％的值。
9.一种用于将电力馈送到具有电网电压的供电网(212)中的风力设备(100)，并且所述风力设备包括：
-发电机(201)，用于生成发电机电流(定子电流)；
-连接至所述发电机的有源整流器(202)，用于将所述发电机电流整流成整流电流，
-连接至所述有源整流器并且具有中间电路电压的直流电压中间电路(204)，用于接收所述整流电流，
-连接至所述直流电压中间电路的斩波器电路(208)，用于将多余能量转移出所述直流电压中间电路，
-连接至所述直流电压中间电路的换流器(210)，用于生成馈送到所述供电网(212)中的馈入电流(INet)，以及
-设备控制器(103)，其被准备成控制所述馈送使得：
-所述馈送以影响电压方式进行，使得所述换流器通过馈送的电流的调整来抵消所述电网电压与电压设定点值的偏差，
-所述有源整流器(202)具有电流限制，以便在所述电网电压的幅度和/或相位存在变化的情况下限制所述整流电流的下降以保护所述发电机，
-其中，所述有源整流器(202)的电流限制被称为整流电流限制，并且根据所述风力设备(100)的工作点，特别是根据所述有源整流器(202)的工作点，来设定和改变，以及
-所述斩波器电路(208)被控制成使得：所述斩波器电路将由于所述有源整流器(202)的所述电流限制而在所述直流电压中间电路中出现的多余能量或所述多余能量的一部分转移出所述直流电压中间电路。
10.根据权利要求9所述的风力设备(100)，其中，特别地，所述设备控制器(103)被准备成执行如权利要求1至8中的一项所述的方法。
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