CN113471943B - 用于运行尤其风能设备的变流器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在三相供电网处运行变流器的方法，所述方法包括如下步骤：在第一运行模式中借助于控制单元来运行所述变流器以产生输出电流，其中所述变流器在所述第一运行模式中以施加电压的方式作用于所述供电网；在所述第一运行模式期间借助于检测机构在所述供电网中检测电网故障；如果在所述第一运行模式期间在所述供电网中检测到电网故障，那么借助于电流限制来限制所述变流器的输出电流，尤其使得所述变流器的输出电流不超过预定的最大电流或基本上对应于所述预定的最大电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行变流器尤其风能设备的方法，以及一种包括这种变流器的风能设备。
背景技术
由于可再生的、基于变流器的发生器日益排挤传统的、以同步发电机运行的发电厂，经典的同步发电机越来越多地在供电网中失去影响力。
由于同步发电机的这种倒退，同样引起传统的、稳定供电网的飞轮质量的下降。
因为在供电网中的这种变化的作用几乎未研究过，所以存在如下思考：运行可再生的发生器的变流器，使得可再生的发生器以在供电网处施加电压的方式工作和/或如传统同步机那样作用。
换言之，变流器应如传统同步机那样作用于供电网和/或仿真传统同步机的性能，尤其在此不丢失整流器技术的优越性。
这种如此运行的变流器称为施加电压的或虚拟同步机。
至今已知的施加电压的或仿真同步机的方法的缺点是，所述方法并非针对可能的、在供电网中出现的电网故障而设计。
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问题，尤其应针对施加电压的或仿真同步机的方法提出一种用于应对电网故障的调节方法。
根据本发明，提出一种用于在三相供电网处运行变流器的方法，包括如下步骤：在第一运行模式中借助于控制单元来运行变流器以产生输出电流，其中变流器在第一运行模式中以施加电压的方式作用于供电网；在第一运行模式期间借助于检测机构在供电网中检测电网故障；如果在第一运行模式期间在供电网中检测到电网故障，那么借助于电流限制来限制变流器的输出电流，尤其使得变流器的输出电流不超过预定的最大电流或基本上对应于所述预定的最大电流。
为此变流器构成为风能设备和/或蓄电器的变流器、尤其交流变流器，并且尤其具有变流器输出端，所述变流器输出端可与三相供电网连接并且设立用于在变流器输出端处提供输出电流或向三相供电网馈电。
在一个优选的实施方式中，变流器具有控制单元，所述控制单元设立用于操控变流器，使得变流器在三相供电网处在静态中表现得像机电同步机那样是动态的。
因此优选地，变流器如虚拟同步机那样运行。例如，控制单元为此借助于公差带方法操控变流器。
变流器或控制单元优选地还具有多个运行模式，其中第一运行模式运行变流器，使得变流器以施加电压的方式在供电网处工作。
优选地，变流器或控制单元还具有第二运行模式，其中变流器在第二运行模式中以施加电流的方式作用于供电网。
因此优选地，变流器或控制单元至少设立用于在第一运行模式和第二运行模式中运行，尤其以便在变流器输出端处提供能够馈入到供电网中的输出电流。为此，变流器或控制单元例如能够具有功率调节装置，所述功率调节装置设置用于使变流器以施加电压的方式尤其在供电网处运行。
在本文中尤其将施加电压或施加电压的变流器(英文是grid forming inverter(组网型变流器))理解为如下方法和/或变流器：其设计和/或设立用于，在供电网处提供所限定的具有预设的幅值和频率的电压，尤其使得其基本上如电压源那样作用，即优选地具有相对于供电网的低的串联阻抗。也就是说，变流器的目的基本上在于，在供电网处提供特定的电压和/或频率，即构成所谓的组网器或平衡节点(slack bus)。也就是说，施加电压的变流器即使在空转中也能够提供电压，或者在此在不馈入电流和/或功率时提供电压。由此尤其能够提供所谓的电网角，这尤其能够实现对于其他电网参与者，尤其发生器提供正确相位。
在本文中尤其将施加电流或施加电流的变流器(英文是grid following inveter(电网跟踪型变流器))理解为如下方法和/或变流器：其设计和/或设立用于，将电的功率馈入到供电网中，使得其基本上如电流源那样作用，即优选地相对于供电网具有高的并联阻抗。也就是说，变流器的任务基本上在于，将所确定的有功功率和/或无功功率馈入到供电网中，即构成所谓的负荷节点(PQ bus)。
现在，如果在变流器以施加电压的方式作用于供电网的第一运行模式中借助于检测机构检测到电网故障，那么提出限制变流器的输出电流。
电网故障在此尤其是供电网中的严重故障，即以下列表的至少一个故障：电压骤降、相位跃变、强烈的频率梯度和/或所述三个故障的组合。
电网故障在这种情况下尤其被认为是如下事件：大的不平衡局部或全局超前于所述事件，所述不平衡在没有立即支持的情况下导致相位、电压或频率的强烈改变。
也就是说，尤其提出，将供电网中的所有如下故障分级为电网故障：所述故障导致或会导致输出电流的尤其瞬时的或突然的提高。
为了尤其在第一运行模式期间在供电网中检测电网故障，优选使用检测机构，所述检测机构设立用于检测在变流器输出端处的功率提高。这种检测机构也能够称为功率检测装置并且优选是变流器的一部分。优选地，这种功率检测装置包括至少一个电流检测装置和电压检测装置。
如果在第一运行模式期间在供电网中检测到电网故障，那么提出限制变流器的输出电流，即应馈入或被馈入到供电网中的电流。
在此尤其借助于电流限制来进行输出电流的限制。电流限制为此例如能够以滞环调节器形式在变流器的控制单元中实现。
输出电流在此优选借助于电流限制来限制，使得输出电流不超过预定的最大电流或基本上对应于所述预定的最大电流。电流限制因此尤其设立用于限制变流器的输出电流，使得输出电流不高于预定的最大电流。
预定的最大电流优选根据变流器的半导体的物理特性确定或设定，例如通过半导体的切换的电流-时间积分或损耗功率模型确定或设定。
但是也可行的是，预定的最大电流通过电网运营商预设，例如根据变流器的电网连接点处的短路电流比。
优选地，电流限制静态地尤其借助于绝对值实施和/或动态地尤其借助于参考系实施。
电流限制优选在变流器的一个控制单元或所述控制单元中实现，例如通过电路或借助于控制技术机构例如软件实施。
控制单元例如产生用于变流器的电流期望值，尤其用于变流器的公差带的电流期望值。
电流期望值经由电流限制引导，所述电流限制例如具有上限和下限，即作为上限的绝对值和作为下限的绝对值。上限也能够称为最大电流期望值并且下限也能够称为最小电流期望值。如果电流期望值例如高于电流限制的最大电流期望值，那么电流限制仅输出最大电流期望值作为电流期望值。也就是说，电流限制将变流器的电流期望值限制于最大值或最小值。
也就是说，尤其应将静态的电流限制理解为用于限制变流器的输出电流的调节器：
-仅当所述调节器的输入变量变化时，所述调节器的输出变量才改变，并且
-所述调节器不具有固有动态或不实施例如通过储能器引起的固有运动。
通常，这种静态的调节器通过代数方程描述。
静态的电流限制在此尤其具有如下目的：将变流器的输出电流的输出电流瞬时值保持为一个值。所述值在此在半波上是恒定的，即静态的。
但是，电流期望值也能够动态地借助于参考系来补偿或跟踪所述参考系。
也就是说，尤其应将动态的电流限制理解为用于限制变流器的输出电流的调节器：
-仅当所述调节器的输入变量变化时，所述调节器的输出变量才改变，并且
-所述调节器具有固有动态或实施例如通过充电和放电的内部储能器引起的固有运动。
通常，这种动态的调节器通过微分方程描述。
也就是说，动态的电流限制尤其具有优选在半波上可变的界限值，以便尤其在理想情况下保持正弦电流形式。
优选地，电流限制静态地来实施，尤其借助于绝对值来实施，并且所述方法至少还包括如下步骤：测量输出电流的有功分量。
因此，尤其也提出，电流限制借助于根据变流器的输出电流的检测到的有功分量所设定的绝对值工作。
优选地，电流限制静态地来实施，尤其借助于绝对值来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：测量输出电流的畸变无功功率。
为此，例如在变流器的输出端处设置检测机构并且检测机构设立用于检测畸变无功功率。
畸变无功功率尤其定义为输出电流的所有谐波电流的总和有效值和基本电压的有效值的乘积，例如定义为
其中畸变无功功率为D，电压的有效值为U，畸变无功电流为Iv，基本电流和谐波电流的有效值为Ii。
畸变无功功率因此尤其表示输出电流的所有谐波的无功功率。
优选地，尤其使用畸变无功功率，使变流器在电流限制的响应之后再次有序地回归电压施加。
但是此外，也能够使用畸变无功电流替代畸变无功功率，以便使变流器在电流限制的响应之后再次有序地回归电压施加。
也就是说，所述方法尤其也包括如下步骤：
-在限制输出电流之后，尤其利用畸变无功电流回归电压施加。
替选地或附加地，也能够加速或减速电压向量，以便将输出电流的畸变无功电流调节到零。
例如，经由动态实施的功率调节来设定变流器的输出电流。现在，如果输出功率通过电流限制高于预设的功率期望值，那么例如减速功率调节的向量，以便设定合适的电压角。在不超过预设的功率期望值的情况下，加速功率调节的向量，尤其以便设定合适的电压角。
因此尤其也提出，变流器包括动态的功率调节，所述动态的功率调节包括电压向量，并且所述方法还包括如下步骤：
-加速和/或减速电压向量，尤其以便设定电压角。
替选地或附加地，也能够加速或减速电压向量，以便设定有功功率期望值。
也就是说，所述方法尤其也包括如下步骤：
-在限制输出电流之后，尤其利用畸变无功功率和/或有功功率期望值回归电压施加。
优选地，电流限制动态地来实施，尤其借助于参考系来实施，并且所述方法还包括如下步骤：对于第一运行模式，尤其在过载之后和/或根据至少一个预定的标准，将调节器锁定在输出电流调节中。
也就是说，尤其提出，所述方法至少包括：第一标准，以便切换运行模式；和第二标准，以便再次切换回运行模式。这例如能够通过滞环调节器实现，所述滞环调节器包括第一标准和第二标准，以便在运行模式之间来回切换。
因此，所述方法尤其也包括如下步骤：
-借助于第一标准和第二标准重新同步变流器。
替选地或附加地，也能够检测在变流器处的输出钳位电压的相位和/或幅值，尤其以便重新同步变流器。
替选地或附加地，也能够将电压参考系或电压向量设定成检测到的电压，尤其设定成检测到的输出钳位电压，尤其以便重新同步变流器。
替选地或附加地，也能够通过功率调节，尤其借助于加速或减速电压向量来设定功率期望值，尤其以便重新同步变流器。
根据本发明，还提出一种用于将电能馈入到三相供电网中的设备，尤其变流器，优选风能设备和/或蓄电器的变流器，所述设备至少包括控制单元，所述控制单元设立用于执行上述和/或下述方法。
根据本发明，还提出一种风能设备和/或蓄电器，所述风能设备和/或蓄电器至少包括：上述和/或下述用于馈入电能的设备和/或设立用于执行上述和/或下述方法的控制单元。
附图说明
现在，在下文中示例性地并且根据实施例和参照附图详细阐述本发明，其中对于相同的或相似的组件使用相同的附图标记。
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在连接点处的风能设备的示意图。
图3A示出根据一个实施方式的变流器的控制单元。
图3B示出根据所述实施方式的变流器的性能。
图4A示出根据另一实施方式的变流器的控制单元。
图4B示出根据所述另一实施方式的变流器的性能。
具体实施方式
图1示出根据一个实施方式的风能设备100的示意图。
风能设备100为此具有塔102和吊舱104。在吊舱104处设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的空气动力学的转子106。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。
发电机借助于变流器连接到电网、例如风电场电网或供电网上，以便馈入三相交流。
风能设备为此包括上述或下述控制单元。
图2示出根据一个实施方式的在供电网600的连接点200处的风能设备100的示意图。
风能设备100如在图1中示出的那样例如具有变流器110和控制单元1000。
控制单元1000设立用于执行上述和下述方法，并且尤其借助于控制值S操控变流器110，使得变流器110以施加电压的方式作用于供电网600。
为此，控制单元1000尤其具有电压和/或电流检测装置1002，所述电压和/或电流检测装置设立用于检测连接点200处的三相电压VPCC和/或由变流器产生的电流ig。
由变流器110产生的电流ig在连接点200处例如馈入到风电场电网300中，所述风电场电网使多个风能设备彼此连接。
风电场电网300还经由变压器400和连接线路500与供电网600连接。
图3A示出根据一个实施方式的变流器110的控制单元1100。
控制单元1100包括：具有滞环调节器1104的电压补偿1102以及具有滞环调节器1108的电流补偿1106，其借助于用于控制值S的门1110汇合，以便操控变流器110。
电压补偿1102将检测到的实际电压Uist、例如连接点处的电压VPCC与电压期望值Usoll进行比较。其中的差经由滞环调节器1104引导至门1110。
电流补偿1106将实际电流Iist与最大电流Imax进行比较，并且在需要时限制所述实际电流。电流补偿1106因此实施为静态的电流限制，其输出同样经由滞环调节器1108输送给门1110。
门1110从电压和电流补偿中求取用于变流器110的对应的控制值。
因此，控制单元1100尤其具有电压施加，所述电压施加具有静态的电流限制。
图3B示出具有控制单元1100的变流器110的性能，所述控制单元尤其如在图3中那样具有静态的电流限制。
虚线示出连接点处的电压VPCC的变化曲线，具有在0.002秒时大约30°的相位跃变。
实线示出通过变流器产生的电流ig的变化曲线。
由于电压的相位跃变，由变流器产生的电流突然上升并且通过电流限制被限制在150％额定电流中。
实际的电流限制在此不仅在正方向上而且在负方向上实现。
图4A示出根据一个实施方式的变流器110的控制单元1100。
控制单元1100包括：具有滞环调节器1104的电压补偿1102和具有滞环调节器1108的电流补偿1106，其借助于用于控制值S的门1110汇合，以便操控变流器110。
电压补偿1102将检测到的实际电压Uist、例如连接点处的电压VPCC与电压期望值Usoll进行比较。其中的差经由滞环调节器1104引导至门1110。
电流补偿1106将实际电流Iist与最大参考电流Iref.max进行比较，并且限制实际电流。电流补偿1106因此实施为借助于参考向量的动态的电流限制，所述动态的电流限制同样经由滞环调节器引导。
也就是说，电流限制尤其是旋转的电流参考向量或参考系。
门1110从电压和电流补偿中求取用于变流器110的对应的控制值。
也就是说，控制单元1100具有电压施加，所述电压施加具有动态的电流限制。
图4B示出具有控制单元1100的变流器110的性能，所述控制单元尤其如在图4中那样具有动态的电流限制。
虚线示出连接点处的电压VPCC的变化曲线，具有在0.002秒时的大约30°的相位跃变。
实线示出通过变流器产生的电流ig的变化曲线。
通过电压的相位跃变，由变流器产生的电流突然上升并且通过电流限制动态地和尤其正弦式限制。
在此不仅在正方向上而且在负方向上实现所述电流限制。
Claims (27)
1.一种用于在三相供电网处运行变流器的方法，所述方法包括如下步骤：
- 在第一运行模式中借助于控制单元来运行所述变流器以产生输出电流，其中所述变流器在所述第一运行模式中以施加电压的方式作用于所述供电网；
- 在所述第一运行模式期间借助于检测机构在所述供电网中检测电网故障；
- 如果在所述第一运行模式期间在所述供电网中检测到电网故障，那么借助于电流限制来限制所述变流器的输出电流，使得所述变流器的输出电流不超过预定的最大电流或对应于所述预定的最大电流。
2.根据权利要求1所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中
- 静态地和/或动态地实施所述电流限制。
3.根据权利要求2所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中
借助于绝对值和/或借助于参考系实施所述电流限制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制静态地来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：
- 测量所述输出电流的有功分量。
5.根据权利要求4所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制借助于绝对值来实施。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制静态地来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：
- 测量所述输出电流的畸变无功功率。
7.根据权利要求6所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制借助于绝对值来实施。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制静态地来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：
- 使电压向量加速或减速，以便将所述输出电流的畸变无功功率调节到零。
9.根据权利要求8所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制借助于绝对值来实施。
10.根据权利要求1所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制静态地来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：
- 使电压向量加速或减速，以便设定有功功率期望值。
11.根据权利要求10所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制借助于绝对值来实施。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制动态地来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：
- 对于所述第一运行模式，将调节器锁定在输出电流调节中。
13.根据权利要求12所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中对于所述第一运行模式，在过载之后和/或根据至少一个预定的标准将调节器锁定在输出电流调节中。
14.根据权利要求12所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制借助于参考系来实施。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制动态地来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：
- 在所述变流器处检测输出钳位电压的相位并且此外检测输出钳位电压的幅值。
16.根据权利要求15所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制借助于参考系来实施。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制动态地来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：
- 将电压参考系设定成检测到的电压。
18.根据权利要求17所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中将电压参考系设定成检测到的输出钳位电压。
19.根据权利要求17所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制借助于参考系来实施。
20.根据权利要求1至3中任一项所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制动态地来实施，并且所述方法还至少包括如下步骤：
- 通过功率调节设定功率期望值。
21.根据权利要求20所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中借助于使电压向量加速或减速来设定功率期望值。
22.根据权利要求20所述的用于在三相供电网处运行变流器的方法，其中所述电流限制借助于参考系来实施。
23.一种用于将电能馈入到三相供电网中的设备，所述设备至少包括控制单元，所述控制单元设立用于执行根据权利要求1至22中任一项所述的方法。
24.根据权利要求23所述的用于将电能馈入到三相供电网中的设备，其中所述设备是变流器。
25.根据权利要求23所述的用于将电能馈入到三相供电网中的设备，其中所述设备是风能设备和/或蓄电器的变流器。
26.一种风能设备，所述风能设备至少包括：根据权利要求23所述的用于将电能馈入到三相供电网中的设备和/或设立用于执行根据权利要求1至22中任一项所述的方法的控制单元。
27.一种电存储器，所述电存储器至少包括：根据权利要求23所述的用于将电能馈入到三相供电网中的设备和/或设立用于执行根据权利要求1至22中任一项所述的方法的控制单元。
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